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INSTITUTO DE PESQUISAS ENERGÉTICAS E NUCLEARESAUTARQUIA ASSOCIADA À UNIVERSIDADE DE SÃO PAULO

Caracterização do polímero Durolon como detector detraços nucleares de estado sólido

FÁBIO PUGLIESI

Tese apresentada como parte dos

requisitos para a obtenção do Grau de

Doutor em Ciências na Área de

Tecnologia Nuclear - Aplicações.

Orientador:Prof. Dr. Valdir Sciani

São Paulo2008

2

Dedico este trabalho ao meu pai Reynaldo Pugliesi, meu exemplo e

referência como pessoa e cientista, e a minha avó Serafina Pugliesi.

3

Agradecimentos

Prof. Dr. Valdir Sciani pela dedicação e orientação neste trabalho;

Aos colegas do CAC pelo apoio importante para a realização deste trabalho;

IPEN, CAPES, e Pós graduação, pela bolsa de estudos e estrutura para arealização deste trabalho;

Aos colegas do CRPQ;

Aos amigos Marco Antonio Stanojev e Marcos Leandro Garcia Andrade do grupode radiografia do CRPQ pela colaboração e pelos equipamentos disponibilizados;

A minha esposa Thais pela paciencia e ajuda sempre;

Ao meu pai Reynaldo Pugliesi e minha mãe Marilene A Pugliesi pelo incentivo eajuda em todos os momentos da minha vida;

Aos meus irmãos Eduardo, Mauricio e Marco pela amizade e ajuda em todos osmomentos;

A todos que de alguma maneira colaboraram para a execução deste trabalho.

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INTRODUÇÃO---------------------------------------------------------------------------------------1

CAPITULO 1 - FUNDAMENTOS TEÓRICOS----------------------------------------------10

1.1 - Interação das partículas carregadas pesadas com a matéria-------------------13

1.2 - Nêutrons e a Matéria-----------------------------------------------------------------------13

1.2.1 – Nêutron-------------------------------------------------------------------------------------13

1.2.2 - Interação Nêutron – Matéria-----------------------------------------------------------13

1.3 - Detectores de Traços Nucleares de Estado Sólido – SSNTD-------------------16

1.3.1 - Geometria do traço-----------------------------------------------------------------------18

1.4 - Considerações sobre a caracterização de um SSNTD----------------------------19

1.5 - Imagem digital--------------------------------------------------------------------------------23

1.5.1 - Representação de Imagens Digitais-------------------------------------------------24

1.5.2 - Passos Fundamentais do Processamento de Imagens-------------------------24

CAPITULO 2 - MATERIAIS E MÉTODOS--------------------------------------------------26

2.1 – Polímeros-------------------------------------------------------------------------------------26

2.2 - Tela Conversora de Boro------------------------------------------------------------------27

2.3 – Irradiações------------------------------------------------------------------------------------28

2.4 - Ataque químico------------------------------------------------------------------------------31

2.5 - Sistema digital--------------------------------------------------------------------------------32

2.6 - Sistema analógico---------------------------------------------------------------------------35

CAPITULO 3 - OBTENÇÃO E ANÁLISE DE DADOS-----------------------------------38

3.1 - Caracterização do sistema digital-------------------------------------------------------38

3.1.1 - Taxa de crescimento do traço---------------------------------------------------------38

3.1.2 Taxa de produção de traços-------------------------------------------------------------42

3.1.3 - Intervalo de exposição para a obtenção do melhor contraste ótico----------45

3.1.4 - Analise e comparação dos resultados-----------------------------------------------47

3.1.4.1 - Quanto a qualidade dos resultados------------------------------------------------47

3.1.4.2 - Quanto a obtenção de dados--------------------------------------------------------48

3.2 - Reprodutibilidade do sistema digital----------------------------------------------------50

5

3.2.1 - Taxa de crescimento do traço---------------------------------------------------------50

3.2.2 - Taxa de produção de traços-----------------------------------------------------------50

3.2.3 - Intervalo de exposição para ótimo contraste---------------------------------------51

3.3 - Caracterização do polímero Durolon como um SSNTD---------------------------52

3.3.1 - Taxa de crescimento do traço---------------------------------------------------------52

3.3.2 - Taxa de produção de traços-----------------------------------------------------------54

3.3.3 - Intervalo de exposição para obtenção do melhor contraste ótico------------56

3.3.4 - Angulo critico-------------------------------------------------------------------------------59

3.3.5 - Transparência à luz visível-------------------------------------------------------------61

CAPITULO 4 - CONSIDERAÇÕES FINAIS------------------------------------------------63

4.1 - Conclusões referentes ao Durolon------------------------------------------------------63

4.2 - Conclusões referentes ao sistema digital---------------------------------------------64

4.3 – Aplicações do Durolon---------------------------------------------------------------------64

4.4 - Trabalhos sugeridos------------------------------------------------------------------------69

REFERENCIAS-------------------------------------------------------------------------------------71

6

Caracterização do polímero Durolon como detector detraços nucleares de estado sólido

FÁBIO PUGLIESI

ResumoO polímero Durolon foi caracterizado para ser utilizado como um

detector de traços nucleares de estado sólido. Nestes detectores, o testemunho

da passagem da radiação é um dano na estrutura molecular do polímero que

após ser atacado em uma solução química se transforma em um traço,

permanente e visível em um microscópio ótico. A caracterização do Durolon foi

feita mediante estudos do diâmetro do traço, da eficiência de produção de traços,

da transmissão de luz pelo polímero e do ângulo crítico de incidência da partícula

em sua superfície, visando fornecer os subsídios necessários para interpretar as

informações registradas. No presente trabalho os danos no polímero foram

causados por partículas - α da reação nuclear 10B(n,α)7Li, mediante a irradiação

de uma tela de boro em um feixe de nêutrons térmicos, oriundo de um

equipamento instalado no canal 08 do reator nuclear de pesquisas IEA-R1 do

Instituto de Pesquisas Energéticas e Nucleares IPEN-CNEN/SP. Estes estudos

foram realizados mediante o emprego de um sistema digital que foi desenvolvido

neste trabalho. A sua utilização permitiu uma maior qualidade e eficácia quanto a

aquisição e a análise de dados bem como acesso a diversos outros parâmetros

referentes aos traços, até então inacessíveis pelo sistema analógico que estava

em uso no IPEN e, assim, acesso a teoria da formação da imagem nestes

detectores.

As características determinadas para o Durolon foram comparadas

com as obtidas para outros dois detectores de traços nucleares, o Makrofol-E e o

Makrofol-DE e, demonstram a viabilidade de sua utilização.

7

Characterization of the polymer Durolon as a solid statenuclear track detector

FÁBIO PUGLIESI

AbstractThe polymer Durolon has been characterized as a solid state nuclear

track detector. In these detectors a track, resulting from the damages in its

molecular structure, induced by a heavy charged particle, is the testimony of the

passage of the particle through the polymer.

In order to characterize the Durolon the track diameter, track production

rate, light transmission through the polymer and the critical angle of incidence of

the particle have been studied. The main objective of such studies was to provide

the necessary subsidies to understand the information registered.

The damages have been induced by alpha particles from the nuclear

reaction 10B(n,α)7Li, by irradiating a boron screen in a thermal neutron field from

an experimental facility installed in the beam – hole 08 of the IEA-R1 nuclear

research reactor of IPEN-CNEN/SP.

The study of the parameters have been performed by using a digital

system developed in the present work. Its use has provided a higher quality and

quickness regarding data acquisition and data analysis as well as the opportunity

to quantify several other parameters regarding the imaging formation theory in

solid state nuclear track detectors.

The characteristics of the Durolon have been compared with the ones

of two other detectors Makrofol-E and Makrofol-DE and have demonstrated its

potentiality to use.

8

INTRODUÇÃOPolímeros são macromoléculas formadas por unidades moleculares

menores e que se repetem, denominadas monômeros. Em 1909, o químico Leo

Baekeland sintetizou o primeiro polímero, a baquelite, que é amplamente utilizado

até os dias de hoje para fabricar maçanetas, telefones, peças de automóveis,

móveis, jóias. Na década de 30, o químico Wallace Carruthers desenvolveu um

outro polímero, o nylon, que além de ser leve, forte e durável se tornou a base de

muitos tipos de roupas, coberturas, barracas, bagagens, bolsas e cordas [1].

Em geral os polímeros são muito resistentes à ruptura e ao desgaste,

são elásticos, resistentes ao calor, à ação dos agentes atmosféricos e possuem

elevada resistividade elétrica. Estas propriedades, juntamente com a sua fácil

obtenção à baixas temperaturas, têm possibilitado a sua fabricação e uso em

grande escala. Atualmente os polímeros são utilizados nas indústrias aeronáutica

e automotiva, na confecção de produtos e embalagens, fabricação de lentes, CD’s

ou DVD’s [1,2].

FIGURA 1 – Imagem de um CD fabricado com o Makrolon

9

Dentre as aplicações mais espetaculares dos polímeros destaca-se o

seu uso como um detector de radiações nucleares e neste caso são denominados

detectores de traços nucleares de estado sólido ou solid state nuclear track

detectors – SSNTD. Este nome provem do fato de que o testemunho da detecção

da radiação é uma região, na estrutura molecular do material, danificada pela

passagem da radiação, a qual após um ataque químico adequado terá as suas

dimensões aumentadas milhares de vezes formando o que se denomina um

traço. O traço é permanente, visível em um microscópio ótico comum e, em geral

possui a forma cônica com a base localizada na superfície do detector. Estes

detectores são especialmente eficientes para a detecção de partículas carregadas

pesadas como fragmentos de fissão, prótons, partículas - α e outros ions [3, 4, 5,

6]. A figura 2 mostra o aspecto de um traço, causado por uma partícula - α no

SSNTD CR-39, visto com o auxilio de um microscópio eletrônico, aumentado

20.000x.

FIGURA 2 – Aspecto de um traço visto em um microscópio eletrônico

Dentre as principais aplicações deste tipo de detector, destaca-se o

seu uso na área nuclear, em ciências da Terra, dosimetria, radiografia, auto -

radiografia, filtros, estudos da radiação cósmica, do gás radônio em minas, etc [7].

10

Da mesma forma que para interpretar a informação registrada em um

detector a gás é necessário estudar as características dos pulsos eletrônicos

formados pela passagem da radiação, a interpretação da informação registrada

em um SSNTD requer o estudo dos traços formados [3,8].

Levando em conta a crescente utilização dos SSNTD como filme

radiográfico, dosímetro ou simplesmente para registrar a presença da radiação

nuclear, o desenvolvimento de novas técnicas e teorias nesta área, o que conduz

a novas oportunidades de pesquisa, bem como, às constantes dificuldades na sua

importação e o fato de termos polímeros disponíveis no mercado interno

brasileiro, decidimos propor um trabalho cujo principal objetivo seria a

caracterização de um polímero fabricado no Brasil, no caso o Durolon, para ser

utilizado como um SSNTD [9]. As irradiações seriam realizadas em um

equipamento que está instalado no reator IEA-R1 do IPEN-CNEN/SP que é capaz

de produzir um feixe de nêutrons térmicos com características de energia e de

intensidade adequadas para esta finalidade e os traços seriam produzidos por

partículas - α geradas em uma tela de boro irradiada neste feixe de nêutrons [10].

Os traços produzidos no Durolon seriam analisados em um sistema de

leitura analógico, que está em uso no IPEN desde fins de 1970 o qual vem

fornecendo ao longo destes trinta e cinco anos resultados confiáveis e

consistentes referentes a este tipo de estudo [11, 12, 13, 14, 15, 16]. Entretanto

pelas limitações deste sistema o estudo fica restrito a quantificação de

basicamente três parâmetros, a taxa de crescimento do traço, a taxa de produção

de traços e a intensidade de luz transmitida pelo detector, os quais são suficientes

para se determinar as condições de irradiação e de ataque químico adequados

para a grande maioria das aplicações de um SSNTD. Apesar de confiáveis,

medidas analógicas neste tipo de estudo significam severo cansaço visual o que

eventualmente induz a erros. Além disto e por causa do tipo de medida, esta é

sujeita à interpretações individuais de cada pessoa que a realiza. Por exemplo,

para determinar a taxa de crescimento do traço é necessário medir o seu

diâmetro aparente com uma régua milimetrada em imagens projetadas na tela de

um monitor de vídeo. A determinação da taxa de produção de traços requer a

contagem visual de traços também na tela de um monitor de vídeo. A

determinação da intensidade da luz transmitida pelo detector é feita em um

11

microfotômetro ótico, que é pouco adequado para tal finalidade pois, por exemplo,

a área analisada do detector é muito pequena [17].

Entretanto, no inicio dos trabalhos soubemos repentinamente que o

microfotômetro que sempre fora utilizado para este fim, estava fora de operação

permanentemente. Sabendo da importância deste parâmetro para o presente

trabalho, passamos a estudar outras maneiras de quantificar a intensidade da luz

transmitida pelo detector. Dentre os estudos realizados, destacam-se os testes

feitos em dois tipos de densitômetros óticos (instrumento comumente utilizado

para se medir transmissão de luz em filmes comuns para raios – X), o emprego

de luz incidente com comprimento de onda variável, de luz incidente razante e o

emprego de um ampliador fotográfico comum. Destes, o resultado mais promissor

foi o obtido com o ampliador. Neste caso um feixe de luz incide no detector e, a

imagem resultante é projetada em uma tela branca e opaca. A verificação da

possibilidade de seu uso foi realizada em um teste no qual diversos detectores

irradiados e atacados foram posicionados no ampliador e visualmente pudemos

observar que havia uma variação significativa na tonalidade ou grau de

enegrecimento dos detectores em função dos tempos de irradiação, como

mostrado na figura 3. Motivados por este resultado, passamos a utilizar uma

câmera de vídeo para capturar esta imagem, a qual foi digitalizada por uma placa

de captura instalada em um PC convencional. Os graus de enegrecimento dos

detectores puderam então ser quantificados e analisados em uma escala de

níveis de cinza, no caso com 8 bits, ou seja, com 256 tons de cinza que varia

desde 0 (pixel mais escuro) à 255 (pixel mais claro).

Paralelamente a este estudo, já tínhamos obtido algum sucesso

referente à captura e ao processamento de imagens de traços individuais o que

nos permitiu, como mostrado na figura 4, observar suas bordas com boa definição

em uma imagem relativamente grande, quando comparada com aquela obtida no

sistema analógico. Este resultado associado à possibilidade de contar traços,

automaticamente por meio de um software, em uma imagem digital processada,

foram os incentivos que nos motivaram a desenvolver, a partir destes passos

iniciais, um sistema digital para a captura, processamento e analise de imagens e

de dados registrados em SSNTD’s [18,19].

12

FIGURA 3 - Variação nos graus de enegrecimento dos SSNTD’s em função dos

tempos de irradiação

Com o progresso do presente trabalho este sistema digital foi sendo

aperfeiçoado e hoje ele nos permite também ter acesso ao diâmetro interno dos

traços e à distribuição de luz no interior de um único traço, ou seja, em uma área

de aproximadamente 10µm2, o que abriu novas perspectivas de pesquisa uma

vez que pudemos ter acesso a estes que são parâmetros fundamentais da teoria

da formação da imagem em um SSNTD [20, 21, 22, 23].

Tendo em vista a facilidade de torná-lo operacional, pois todas as suas

partes são disponíveis no mercado interno e o baixo custo para sua

implementação, este sistema está ao alcance de qualquer laboratório que realize

pesquisas nesta área.

Este sistema demonstrou ser altamente viável para este tipo de estudo

de modo que a sua importância e os testes de sua caracterização ocuparam um

lugar de destaque neste trabalho.

13

FIGURA 4 – Imagem digital de um traço processado

OriginalidadeA originalidade do presente trabalho baseia-se fundamentalmente em

dois pontos principais:

1 - Caracterização de um polímero fabricado no Brasil para ser empregado

como SSNTD, fornecendo as condições de ataque químico e de irradiação para

que possa ser empregado como detector de radiação.

2 – Projeto, desenvolvimento e implementação de um sistema digital para

aquisição, análise e processamento de imagens e de dados registrados em um

SSNTD.

14

MetodologiaA metodologia utilizada seguiu as seguintes etapas:

1- Verificação da disponibilidade de algum polímero fabricado no Brasil que

atendesse alguns requisitos mínimos de partida tais como, transparência

adequada à luz visível, superfície não rugosa, resistividade elétrica maior do que

2000Ω.cm e preço acessível

2- Seleção de dois SSNTD conhecidos e comumente empregados, a serem

utilizados como padrões na caracterização e verificação da viabilidade do sistema

digital proposto. Este estudo envolve a comparação dos parâmetros mencionados

acima, destes dois SSNTD, determinados no sistema digital desenvolvido e no

analógico já em uso.

3- Caracterização do polímero selecionado, o Durolon, para ser utilizado

como um SSNTD empregando o sistema digital.

4- Comparação dos valores dos parâmetros do Durolon com aqueles

determinados, também no sistema digital, para os dois SSNTD selecionados na

etapa 2

5- Possíveis aplicações do polímero caracterizado.

A tese foi dividida em 4 capítulos e abaixo estão apresentados os

resumos do principais tópicos desenvolvidos em cada um deles.

No Capítulo 1 são apresentados os principais aspectos da interação

das partículas carregadas pesadas com a matéria abordando assuntos

fundamentais como perda de energia e alcance. Foi também mencionada a

metodologia utilizada para os cálculos destes parâmetros. Em seguida foram

apresentados os fundamentos da interação dos nêutrons com a matéria, definindo

os conceitos de secção de choque microscópica e de secção de choque total

macroscópica esta última, empregada nos cálculos de transmissão de nêutrons

pelos materiais. Foram também mencionados conceitos sobre reações nucleares

com nêutrons e especificadas algumas das mais importantes para o presente

trabalho.

Quanto aos detectores de traços nucleares de estado sólido, foram

apresentados alguns fatos históricos referentes ao seu descobrimento e os

aspectos conceituais importantes quanto a produção de danos em sua estrutura

por radiações nucleares e a sua transformação em traços mediante um ataque

15

químico. Destacamos os conceitos de velocidade de ataque ao longo do dano e

ao longo da superfície não danificada, cujos valores refletirão a forma do traço

que, em geral, é preferencialmente cônica. Ainda quanto aos SSNTD foram

abordadas algumas considerações de modo a justificar a seleção dos parâmetros

para a caracterização do Durolon.

Foram também abordados aspectos importantes sobre imagens

digitais, sua representação, bem como os passos fundamentais referentes à sua

captura e processamento.

O Capítulo 2 é dedicado à parte experimental do trabalho.

Primeiramente são mencionados os três polímeros utilizados destacando que dois

deles o Makrofol - E (Mk-E) e o Makrofol - DE (Mk-DE), já sendo detectores

comumente utilizados, foram utilizados como padrões para verificar a viabilidade

do sistema digital e para a caracterização do Durolon.

Além disto são também descritos o equipamento instalado no canal de

irradiação 08 do reator IEA-R1 onde foram realizadas todas as irradiações deste

trabalho, o dispositivo no qual foram realizados os ataques químicos aos

detectores e os dois sistemas de leitura, digital e analógico, onde os polímeros

foram estudados.

O Capítulo 3 foi dividido em dois itens. O primeiro referente à

caracterização do sistema digital, realizada mediante a comparação dos valores

dos parâmetros, taxa de crescimento do traço, taxa de produção de traços e

intervalo de exposição para obtenção do melhor contraste ótico, determinados

para os detectores Mk-E e Mk-DE em ambos os sistemas (analógico e digital),

bem como mediante testes de reprodutibilidade referentes as medidas das

grandezas que originam estes parâmetros.

No segundo item estão descritos os procedimentos empregados para a

caracterização do polímero Durolon para ser empregado como um detector de

traços nucleares de estado sólido. As medidas dos parâmetros foram feitas no

sistema digital e, os resultados comparados com aqueles para o Mk-E e para o

Mk-DE obtidos neste mesmo sistema, o que demonstrou a sua viabilidade para

ser utilizado como um detector de radiação nuclear.

O Capítulo 4 resume as principais conclusões deste trabalho.

Primeiramente as referentes ao polímero estudado onde são apresentadas as

condições que o Durolon deve ser submetido para se obter a melhor eficiência de

16

detecção e o melhor contraste ótico, bem como as suas características nestas

condições.

Em seguida são apresentadas as conclusões referentes ao sistema

digital destacando a qualidade dos resultados obtidos, a facilidade para obtê-los e

analisá-los bem como a possibilidade de estudar novos parâmetros referentes aos

traços.

São também apresentados alguns exemplos de aplicação do Durolon,

quanto a sua utilização como um filme para registrar imagens das técnicas de

radiografia com nêutrons e com partículas - α e, como um dosímetro de nêutrons

térmicos.

Para finalizar, é sugerida a realização de dois trabalhos. O primeiro

voltado à explorar toda a potencialidade do sistema digital no estudo da

distribuição ou transmissão de luz por um único traço, através dos quais se pode

ter acesso aos parâmetros fundamentais a respeito da teoria da formação da

imagem neste tipo de detector e, o segundo, referente à outras aplicações do

Durolon quando nêutrons epitérmicos são utilizados como partícula de prova.

17

CAPITULO 1 - FUNDAMENTOS TEÓRICOSComo explicado na Introdução, neste trabalho os danos nos SSNTD

foram causados por partículas - α oriundas de uma tela de boro natural irradiada

em um feixe de nêutrons térmicos. Desta forma, ao se abordar os fundamentos

referentes aos SSNTD serão também abordados os processos de interação das

partículas - α com a matéria e os processos básicos da interação dos nêutrons

com a matéria. Além disto e, pelo fato de se ter desenvolvido um sistema digital

para aquisição e análise dos dados registrados nos SSNTD, será também

apresentada uma breve introdução a respeito de imagens digitais.

1.1 - Interação das partículas carregadas pesadas com a matériaPartículas carregadas pesadas, como prótons e alfas, interagem com a

matéria causando ionizações e excitações. Estas interações ocorrem entre os

campos Coulombianos, da partícula e, principalmente dos elétrons do meio em

que a interação esteja ocorrendo. Desde que a massa das partículas é muito

maior do que a massa dos elétrons (~2000 vezes no caso de prótons) as suas

trajetórias neste meio são efetivamente linhas retas. Entretanto podem ocorrer

desvios no final da trajetória quando a sua energia for muito pequena [24 25].

A partícula perde a sua energia por uma série de muitas interações

individuais e em cada uma, somente uma pequena fração da sua energia inicial é

perdida. Por exemplo, para ionizar uma molécula de ar são necessários 32 eV, o

que representa uma fração de aproximadamente 10-5 à 10-6 da energia de uma

partícula com alguns MeV. O parâmetro que descreve a perda de energia das

partículas carregadas pesadas é denominado poder de freamento (stopping

power) “S” definido como a quantidade de energia “dE” transferida ao meio ao

longo da distância percorrida “dx”:

S = - (dE/dx) (1.1)

A perda de energia da partícula neste meio é quantificada pela

equação de Bethe e Bloch[24]:

-dE/dx = (4πe4z2/m0v2)*NB (1.2)

18

onde:

B = Z[ln(2m0v2/I – ln(1-v2/c2) – v2/c2]

- v , z - velocidade e carga da partícula incidente

- N , Z - densidade e número atômico dos átomos do absorvedor

- I - potencial médio de excitação e ionização (I ~ 11,5*Z – eV)

- e , m0 – carga e massa do elétron

De acordo com esta equação, para energias entre I << E < 100MeV o

primeiro termo do parâmetro “B”, varia muito lentamente enquanto que os outros

são desprezíveis, de modo que nesta condição dE/dx ~ 1/E. A figura 1.1 mostra o

comportamento da equação de Bethe (1.2) em função de E, entre ~ 0 e ~ 100MeV

[24].

FIGURA 1.1 – Comportamento da equação de Bethe em função da energia E

O alcance é definido como a distância que a partícula percorre antes

de perder todo o seu poder de ionização. Experimentalmente pode se quantificar

o alcance registrando a intensidade de um feixe de partículas monoenergético e

colimado em função da espessura do meio absorvedor. Na figura 1.2 [25] é

mostrada uma curva de transmissão onde I0 e I representam o número de

partículas incidente e transmitido pelo material de espessura “t”. Para pequenas

espessuras do meio absorvedor o efeito predominante é o da perda de energia

0 4 8

0,0

0,2

0,4

0,6

~ 500*I

dE/d

x - u

nida

de a

rbitr

aria

Energia - unidade arbitraria

19

das partículas do feixe e, o número total de partículas permanece o mesmo. Não

há diminuição do número de partículas até que a espessura do absorvedor seja

maior ou igual ao comprimento total da trajetória, ou seja, que o alcance da

partícula e, neste caso a intensidade do feixe cai rapidamente a zero.

FIGURA 1.2 – Típica curva de alcance para uma partícula - α

Entretanto como as perdas de energia por unidade de comprimento

não são rigorosamente as mesmas, mesmo para um feixe colimado e com

partículas de mesma energia, o comprimento total da trajetória no absorvedor

varia ligeiramente para cada partícula o que origina uma flutuação (straggling) de

alguns percentuais em relação ao valor médio do alcance.

A equação de Bethe falha para baixas energias onde a variação de

carga da partícula no meio absorvedor se torna importante [24]. Hoje em dia

existem disponíveis softwares para o calculo de “S” e do alcance de diversos tipos

de partículas em diferentes materiais. Um dos mais utilizados é o do NIST

“Stopping - Power and Range Tables for Electrons, Protons, and Helium Ions”[26].

20

1.2 - Nêutrons e a Matéria1.2.1 - Nêutron

Entre 1930 e 1931, Bothe e Becker na Alemanha e Frederico e Joliot

Curie na França estudavam a natureza de uma radiação penetrante, resultante do

bombardeamento de partículas - α emitidas pelo polônio em diversos alvos de

elementos leves. Dentre estes alvos, os que exibiam a maior quantidade de

radiação eram o lítio, o berílio e o boro. Bothe e Becker constataram em se tratar

de radiação gama com energias de ~ MeV. Entretanto no caso do berílio,

juntamente com a radiação gama, eram também produzidos nêutrons, mas Bothe

não pôde detectá-los, pois o detector por ele utilizado não era sensível à esta

partícula. Entretanto os Curies utilizavam em seus experimentos um detector

sensível a nêutrons e, nos estudos realizados no alvo de berílio, determinaram

que a energia da radiação gama deveria ser da ordem de 50MeV, valor muito

acima do determinado por Bothe e Becker. Desta forma havia uma dificuldade ao

se atribuir o caráter de radiação gama, para a radiação originaria deste alvo. Em

1932 Chadwick comprovou experimentalmente que esta radiação era um nêutron,

uma partícula sem carga e com massa comparável à do próton e que no estado

livre decai com uma meia - vida de 12,8 minutos em um próton, um elétron e um

anti – neutrino, ou seja, [10]:

n → p + e- + ν (1.3)

1.2.2 - Interação Nêutron - MatériaA interação do nêutron com a matéria ocorre mediante forças nucleares

ou magnéticas. Devido à sua importância para o presente trabalho, será dada

ênfase à primeira.

Uma reação nuclear entre um nêutron e um núcleo alvo pode ser

representada segundo a seguinte notação:

X + n → Y + b (1.4)

ou em notação compacta:

X(n,b)Y (1.5)

21

Isto significa que um nêutron “n” interage com o núcleo “X” para

produzir o núcleo “Y” e uma partícula “b”.

Neste processo os nêutrons podem ser espalhados ou absorvidos

pelos núcleos alvo. A probabilidade de ocorrência destes processos é

caracterizada pela grandeza denominada secção de choque microscópica (σ),

expressa na unidade “barn – [b]” (1barn≡10-24 cm2) e classicamente é interpretada

como uma área efetiva que o núcleo alvo apresenta ao nêutron para a ocorrência

da interação. A secção de choque total (σT) para a ocorrência de qualquer um

destes processos vem dada simbolicamente por:

σT = σabs + σesp (1.6)

onde σabs e σesp são as seções de choque microscópicas para absorção e

espalhamento, respectivamente.

Usualmente os nêutrons são classificados de acordo com a sua

energia cinética, como mostrado na tabela (1.1) [10, 27].

TABELA 1.1 - Classificação dos nêutrons de acordo com sua energia cinética

CLASSES FAIXA DE ENERGIA(eV)Frios E<0,01

Térmicos 0,01<E<0,5

Epitérmicos 0,5<E<104

Rápidos 103<E<20.106

Ultra-rápidos E>20.106

Experimentalmente se verifica que na região térmica, a seção de

choque de espalhamento apresenta um valor constante (σesp ~ cte) enquanto

que a de absorção cresce inversamente proporcional a velocidade do nêutron

(σabs α 1/v) [28].

Teoricamente a transmissão de nêutrons pela matéria é governada

pela seguinte lei exponencial [10]:

22

φ(x) = φ0.e-N.σT

(v).x (1.7)

sendo:

φ0 = fluxo de nêutrons incidente no material;

φ(x) = fluxo de nêutrons que não sofreu interação após atravessar o material de

espessura “x” (cm);

N = densidade atômica do material (cm-3).

O produto N.σT(v) é denominado secção de choque total macroscópica

e representa a probabilidade do nêutron, com velocidade “v”, sofrer qualquer tipo

de interação por unidade de caminho percorrido neste material:

ΣT(v) = N.σT(v) (1.8)

Abaixo estão apresentadas algumas reações nucleares com nêutrons,

importantes para este trabalho:

5B10 + n → 2He4 + 3Li7 (1.9)

Finalidade: Produção das partículas - α na tela de boro que causarão os danos

nos SSNTD’s

82U235 + n → fragmentos de fissão + ~ 2n (1.10)

Finalidade: Produção de nêutrons rápidos no reator nuclear

1H1 + n → 1H1 + n (1.11)

Finalidades: Termalização de nêutron rápidos produzidos na fissão

Produção de danos no SSNTD’s causados por prótons de recuo

devido a interação com nêutrons epitérmicos e rápidos

23

1.3 - Detectores de Traços Nucleares de Estado Sólido - SSNTDA ciência dos detectores de traços nucleares de estado sólido nasceu

em 1958 quando D.Young descobriu traços em um cristal da fluoreto de lítio – LiF

ao atacar quimicamente danos, na sua estrutura molecular, causados por

fragmentos de fissão de uma amostra de urânio irradiada por nêutrons térmicos

[29]. Um ano mais tarde Silk e Barnes utilizando um microscópio eletrônico de

transmissão encontraram danos também em cristais de mica. Fleisher e

colaboradores conduziram diversas investigações deste método a outros

materiais como minerais, plásticos e vidros [30]. Desde então a ciência dos

SSNTD se expandiu vertiginosamente e atualmente eles são utilizados em

diversas áreas, como por exemplo, para a detecção de radônio e radiação

cósmica, em radiografia, dosimetria, etc. Em termos de pesquisas, as mais

recentes são voltadas ao estudo da formação e da morfologia dos traços bem

como da caracterização de novos materiais para esta finalidade. Hoje existem

periódicos dedicados quase que exclusivamente a publicação de artigos desta

área e as conferencias internacionais tem ocorrido periodicamente, a primeira em

1958 e a última em 2004 [8].

A produção dos traços nos SSNTD ocorre da seguinte maneira:

Partículas carregadas pesadas causam ionizações e excitações aos átomos e

moléculas ao longo de seu percurso no interior do SSNTD. Os elétrons, emitidos

como conseqüência das ionizações, podem causar mais ionizações secundárias e

mais excitações. Os átomos e as moléculas excitadas podem adquirir

considerável energia vibracional e passar por um processo de ruptura, levando a

uma redução na massa molecular da substância e formando, por exemplo, uma

cadeia complexa de outras moléculas, radicais livres e outros íons. Como

conseqüência, estas interações deixarão uma estreita trilha (diâmetro aproximado

entre 30 e 100 Å), rica em danos ao longo do percurso da partícula e, caso a

resistividade elétrica do meio seja maior do que 2000Ω.cm, parte destes danos

serão permanentes. As regiões danificadas constituem zonas quimicamente mais

reativas do que as regiões não danificadas de modo que sob a ação de certas

soluções químicas adequadas, as estreitas trilhas de danos dão lugar a traços

que nada mais são do que “buracos” com dimensões milhares de vezes maiores

ao longo da direção radial dos danos. Tendo atingido o contorno da trilha de

danos a solução química continua a aumentar o “buraco”, mas a uma velocidade

24

igual a das regiões não danificadas. Os traços podem ser aumentados

radialmente até que sejam visíveis em microscópios óticos comuns. Um meio

capaz de formar traços permanentes é denominado detector de traços nucleares

de estado sólido ou SSNTD (solid state nuclear track detector) [3, 31].

É importante salientar que a formação do traço está diretamente

relacionada à produção de trilhas com elevada densidade de danos e em primeira

aproximação a sua formação somente ocorrerá quando esta densidade exceder

um certo valor mínimo, o qual varia de um tipo de material para outro.

Experimentalmente se verifica que doses elevadas de elétrons, de radiação gama

ou raios – X causam um pequeno efeito nos SSNTD, ou seja, uma densidade de

danos muito pequena, o que vem a ser uma característica muito útil

principalmente quando se pretende registrar partículas carregadas pesadas em

uma campo misto de radiação [3, 32, 33, 34]. Para se ter uma idéia dos números

envolvidos nestes processos se pode dizer que para uma partícula - α com 6 MeV

de energia o processo inicial de perda de energia ocorre em aproximadamente 10-

12 s e em seu trajeto cria aproximadamente 150.000 pares de íons em um SSNTD

típico. Desde que o alcance destas partículas neste material é de 40µm, significa

uma densidade média de 3700 pares de íons por mícron de caminho percorrido.

No caso de elétrons, este número é aproximadamente 500 vezes menor mesmo

para energias de 100KeV [8].

Os SSNTD podem ser tanto de origem orgânica quanto inorgânica

entretanto, somente os materiais dielétricos são capazes de formar traços. Para o

interesse deste trabalho será dada ênfase aos SSNTD orgânicos e dentre estes

os mais utilizados são aqueles constituídos a base de nitratos de celulose e os

policarbonatos tais como o CR-39, Makrofol, CN-85, LR-115. Nestes casos, as

soluções químicas mais freqüentemente utilizadas para o ataque aos danos são

as aquosas à base de NaOH ou de KOH [3].

25

1.3.1 - Geometria do traço

Até o presente, não existe uma teoria única ou modelo único que

explique satisfatoriamente a formação do traço e que calcule previamente os

parâmetros que o caracterizam [8, 32, 35]. Dentre os diversos parâmetros que um

modelo ou teoria deve considerar estão a velocidade de ataque “Vt “ ao longo do

dano e a velocidade de ataque à superfície não danificada “Vs “ uma vez que a

combinação de ambas, juntamente com as condições de ataque, é que

determinarão a forma final do traço. O modelo deve permitir o estudo da influência

de Vt e do ângulo de incidência da partícula com relação à superfície do detector,

na geometria do traço. O modelo deve também permitir o estudo da influência de

Vs , com relação à composição e preparação do SSNTD e com relação as

condições de ataque e irradiação do SSNTD. Para os objetivos desta tese serão

apresentados aqui somente os aspectos mais importantes referentes à geometria

de formação do traço. No caso mais simples, o traço é oriundo de uma partícula

que incide perpendicularmente na sua superfície e a velocidade Vt é constante,

como mostrado na figura 1.3. Como Vt > Vs, os traços adquirem o formato de

cones, cujos eixos estão ao longo das trilhas dos danos e suas bases tem a forma

de circunferências.

FIGURA 1.3 – Aspecto do traço para uma partícula que incideperpendicularmente à superfície do detector

26

Para o caso de uma incidência obliqua, a condição para que uma trilha

de danos forme um traço visível, é que a componente de Vt, perpendicular à

superfície do SSNTD seja maior do que Vs, ou seja, Vt.senθ > Vs (sendo θ o

ângulo de incidência da partícula), como mostrado na figura 1.4. Desta forma,

existe assim um ângulo mínimo de incidência, θc , denominado ângulo critico dado

por (1.12), abaixo do qual o traço não será observado. Em geral este ângulo é

relativamente pequeno e para os detectores orgânicos, θc<5° [3].

θc = arcsen(Vs/Vt) (1.12)

FIGURA 1.4 - Aspecto do traço para uma partícula com Incidência obliqua àsuperfície do detector

Neste caso os traços também adquirem o formato de cones e, suas

bases tem a forma de elipses, cuja excentricidade dependerá do ângulo de

incidência.

1.4 - Considerações sobre a caracterização de um SSNTDComo já mencionado anteriormente os SSNTD tem a habilidade de

registrar eventos individuais de alguns tipos de radiações mediante danos

permanentes causados em sua estrutura, os quais após um ataque químico

adequado são ampliados e transformam-se em traços também permanentes.

Assim, traços são os testemunhos do registro da passagem da radiação por um

SSNTD. Da mesma forma que para caracterizar outros detectores de radiação é

necessário quantificar e estudar alguns parâmetros que definem por exemplo o

27

pulso elétrico que registrou a passagem da radiação, nos SSNTD é necessário

quantificar e estudar os parâmetros que definem um traço bem como alguns

parâmetros referentes ao próprio SSNTD. A quantidade de parâmetros que

podem ser estudados depende logicamente de diversos fatores que variam desde

as condições de irradiação e de ataque até o desempenho do sistema de leitura

empregado. No caso do presente trabalho o conjunto experimental, com o

sistema digital, possibilita o estudo dos seguintes parâmetros:

- taxa de crescimento do traço - permite determinar o tempo de ataque químico

para se obter a dimensão adequada do traço, para uma finalidade especifica; a

transmissão de luz pelo traço varia com a sua forma e dimensões

- taxa de produção de traços - permite determinar a eficiência de detecção dos

SSNTD e permite também avaliar a quantidade de traços de fundo; a transmissão

de luz pelo detector varia inversamente proporcional a sua quantidade

- intervalo de exposição para obtenção do melhor contraste ótico - permite

determinar as melhores condições de irradiação para sua utilização como filme

radiográfico ou dosimétrico

- ângulo crítico de incidência - parâmetro de eficiência de detecção que se torna

importante dependendo da geometria do feixe de radiação incidente no SSNTD

- transparência à luz visível - não é incomum um SSNTD tornar-se quase opaco

sob a ação do ataque químico, dificultando a visualização dos traços. Este

parâmetro é muito importante quando se pretende quantificar a quantidade de

traços ou a transmissão de luz através de um SSNTD

- transmissão de luz por um único traço - parâmetro importante a ser estudado

pois é fundamental para a compreensão e análise da teoria da formação da

imagem, ou da transmissão de luz, em um SSNTD

Destes parâmetros, praticamente todos afetam direta ou indiretamente

a quantidade de luz transmitida pelo SSNTD e, desde que uma de suas mais

importantes aplicações é como filme e, devido a sua importância para o presente

28

trabalho, a seguir serão abordados alguns dos aspectos qualitativos mais

importantes referentes à transmissão de luz por um SSNTD [36 37].

Se um feixe de luz incidir em um SSNTD repleto de traços, a

intensidade transmitida será menor do que a incidente e a causa da atenuação é

o espalhamento sofrido pelo feixe ao interagir com os traços. O processo de

transmissão de luz pelos traços é governado pelas leis da refração [38] e desta

forma dependerá de sua forma geométrica, a qual basicamente é determinada

pelas condições do ataque químico tais como o tempo de duração do ataque, a

temperatura e a composição da solução química. Traços obtidos em tempos de

ataque pequenos exibem um perfil lateral cônico enquanto que os obtidos em

tempos grandes tendem a uma forma esférica. Mediante considerações

puramente geométricas pode-se mostrar que os cônicos espalham mais a luz do

que os esféricos de modo que os primeiros fornecerão um maior contraste ótico

numa imagem radiográfica formada em sua superfície.

De acordo com a teoria da formação da imagem em SSNTD’s [20,21]

um traço pode ser representado bidimensionalmente por um círculo interno

circundado por um anel externo como mostrado na figura 1.5. O anel é o

responsável pelo espalhamento da luz. Quando dois traços estão sobrepostos, a

área resultante dos anéis externos é menor do que a soma das áreas individuais

e consequentemente o espalhamento é menor como mostrado na figura 1.6.

FIGURA 1.5 – Representação esquemática de um traço de acordo com a teoriada formação da imagem

29

FIGURA 1.6 - Representação esquemática de dois traços sobrepostos de acordo

com a teoria da formação da imagem

Considerando uma área A(0) do detector contendo um único traço e

composta pela soma de outras duas, A(t) coberta pelo traço e A(f) livre, a

transmissão de luz através de A(0) é dada por [20]:

T=I/Io=1/A(0)*[T(f)*A(f)+ΣiTi*A(t)] (1.13)

sendo:

Io e I – as intensidades da luz incidente e transmitida através de Ao

T(f) – a transmissão de luz através de A(f)

ΣTi – a transmissão de luz integrada através de A(t)

Esta teoria admite que as superfícies dos traços formados são

circulares e de mesma área, que a transmissão de luz é a mesma para todos os

traços, que existe uma dependência radial “T(r)” da transmissão no interior do

traço e considerando ainda o efeito de sobreposição de traços, a transmissão de

luz, em função da exposição “E” ao feixe de radiação e da densidade de traços –

“ρ” , pode ser dada por:

T = T(f).exp(-E) + 2πρ(r) ∫T(r).exp(π.ρ(r).r2 )r.dr] (1.14)

Desde que a função T(r) pode ser determinada através de uma

varredura da transmissão da luz ao longo do diâmetro do traço, como mostrado

30

na figura 1.7, a expressão (1.14) também estará determinada e, ai está a

importância em se conhecer a distribuição da luz no interior de um único traço.

Esta teoria prevê que enquanto prevalecerem traços individuais no

SSNTD, um aumento do número de traços será acompanhado por uma

diminuição proporcional na intensidade da luz transmitida. Entretanto na condição

de uma sobre exposição, a sobreposição dos traços aumenta causando um

aumento da transmissão da luz pelo SSNTD.

FIGURA 1.7 – Diagrama esquemático mostrando a varredura da transmissão deluz no interior de um único traço.

1.5 - Imagem digital [39]O interesse em métodos de processamento de imagens digitais

decorre fundamentalmente da necessidade de melhoria da informação visual,

bem como do processamento de dados através de máquinas. Devido ao advento

de computadores rápidos e de softwares, as técnicas de processamento digital de

imagens evoluíram bastante em meados dos anos 60. Entretanto a

disponibilização de computadores com grande capacidade de processamento,

bem como o desenvolvimento de mais algoritmos específicos para lidar com

31

sinais digitais estão permitindo uma gama de aplicações cada vez maior, tanto

para imagens bi ou tridimensionais oriundas de diversos setores tais como, da

análise de recursos naturais, meteorologia via satélite, médico (ultra-som,

radiação nuclear) incluindo a contagem automática de células e exame de

cromossomos, metalográfico, automação industrial, etc.

1.5.1 - Representação de Imagens DigitaisO termo imagem refere-se à uma função bidimensional de intensidade

de luz f(x,y), onde x e y são coordenadas espaciais e o valor f em qualquer ponto

(x, y) é proporcional ao brilho da imagem naquele ponto.

Uma imagem digital é uma imagem f(x,y) quantizada tanto em

coordenadas espaciais quanto em brilho e pode ser representada por meio de

uma matriz onde cada um de seus elementos identifica um ponto na imagem e, o

seu valor identifica o nível do brilho naquele ponto. Os elementos dessa matriz

digital são chamados de elementos da imagem, ou "pixels"(picture elements).

Quanto mais pixels uma imagem tiver melhor é a sua qualidade.

1.5.2 - Passos Fundamentais do Processamento de ImagensO primeiro passo no processo é a aquisição da imagem digital. Para

isso é necessário um sensor podendo ser uma câmera de TV ou um scanner.

Após a aquisição, a imagem é digitalizada o que é feito por meio de um conversor

analógico – digital (placa digitalizadora). Uma imagem digitalizada com “n” bits

possui 2n níveis de cinza de modo que para n = 8 a escala terá 256 níveis que

varia de 0 para o nível mais escuro até 255 para o mais claro. Após a

digitalização, a imagem poderá então ser processada. Cada processamento é

uma operação matemática entre os pixels de uma mesma imagem ou entre pixels

de imagens diferentes, cuja finalidade é melhorar aspectos de sua forma original.

A representação matemática de um processamento pode ser expressa como:

g(x,y) = T[f(x,y)] (1.15)

onde:

f(x,y) é a imagem de entrada, g(x,y) é a imagem processada e T é o operador

sobre “f” que representa um processamento qualquer.

32

Dentre as operações mais comumente utilizadas estão o realce de

contraste e de bordas, remoção de ruído, zoom, correção de não homogeneidade

na imagem, etc.

33

CAPITULO 2 - MATERIAIS E MÉTODOS

2.1 – Polímeros [40]No presente trabalho foram empregados três polímeros. O primeiro é o

Durolon, que será caracterizado para ser utilizado como um detector de traços

nucleares de estado sólido. Os outros dois são o Makrofol – DE e o Makrofol – E

que por serem detectores comumente empregados para a detecção de partículas

carregadas pesadas e possuírem suas características bem conhecidas, foram

utilizados como referência tanto na verificação da viabilidade do sistema digital

desenvolvido quanto na verificação dos dados determinados para o Durolon.

O Makrofol - DE (Mk-DE) é um policarbonato manufaturado pela Bayer

A.G, baseado no Makrolon. Apresenta elevada transmitância à luz visível (>90%)

e possui ambas as superfícies polidas. Está disponível com espessuras entre 175

- 1000 µm e, o utilizado neste trabalho possui espessura de 500µm.

O Makrofol - E (Mk-E) é também um policarbonato manufaturado pela

Bayer A.G baseado no Makrolon. É fabricado com espessuras entre 200 e

500µm. É um material translúcido apresentando uma face rugosa e a outra polida,

sendo nesta última por onde as partículas devem penetrar para causar os danos.

O Mk-E utilizado neste trabalho possui espessura de 200µm [9]

Para danos causados por partículas - α, estes detectores são atacados

quimicamente em uma solução padrão denominada PEW, a 70°C, cuja

composição em massa é [12, 41]:

- Hidróxido de Potássio, grau P.A - 15%

- Álcool etílico absoluto, grau P.A - 40%

- Água deionizada - 45%.

O Durolon foi o polímero utilizado no presente trabalho pois é o que

estava disponível no mercado nacional. É um policarbonato produzido pela

Policarbonatos do Brasil S.A e, também, manufaturado a partir do Makrolon.

Possui algumas propriedades desejáveis para ser utilizado como um detector de

radiação tais como, superfícies polidas e parcialmente transparentes a luz visível

34

exibindo uma transmitância de aproximadamente 90% e uma resistividade elétrica

superior a 1016Ω.cm. Desde que aproximadamente 99,5% da composição (em

peso) do Durolon é policarbonato, que o seu ponto de fusão está entre 220 e

230°C e, que os danos também foram causados por partículas - α, a solução

química para o ataque foi a mesma utilizada para o MK-E e MK-DE, ou seja, a

PEW a 70°C [9].

2.2 - Tela Conversora de Boro[28]

A tela conversora geradora das partículas - α foi confeccionada pela

Kodak - Pathé (França). É composta por uma base plástica com espessura de

105µm coberta por uma camada de boro natural de pureza superior a 99% e com

espessura de 65µm. Esta camada permanece aderida a base plástica formando

uma superfície lisa, homogênea e de coloração marrom.

As partículas - α são geradas mediante reações nucleares do tipo

B10(n,α)Li7, ou seja, entre nêutrons e núcleos do isótopo boro-10 (abundância

20%), com uma seção de choque microscópica de absorção de aproximadamente

7000 barn para o feixe de nêutrons utilizado, que possui energia média de 7 meV,

(vide tabela 2.1). Pelo fato do isótopo boro-11 (abundância 80%) possuir uma

seção de choque para absorção de aproximadamente 20 barn, a tela terá uma

seção de choque efetiva de aproximadamente 1400 barn para este feixe de

nêutrons, o que significa uma transmissão de 66% ou que 34% do feixe gerara

partículas - α [41]. Embora estas partículas -α possuam energia de 1,47 MeV, o

espectro que atinge os polímeros possui energias entre 0 e 1,47 MeV, pois as

reações nucleares ocorrem à distâncias diferentes da superfície da tela. O outro

produto desta reação nuclear, núcleos de lítio - 7 de energia 0,84 MeV, não foi

considerado na formação dos traços pois seus danos aos detectores sendo muito

superficiais não formam traços visíveis [32].

Embora até este capítulo, o Durolon ainda não tenha sido caracterizado

como um SSNTD e, por uma questão de simplicidade, deste ponto em diante o

Durolon também será denominado simplesmente de “detector ou de SSNTD”.

35

2.3 – IrradiaçõesAs irradiações com nêutrons referentes ao presente trabalho foram

realizadas no canal de irradiação 08 do Reator Nuclear de Pesquisas IEA-R1 do

IPEN-CNEN/SP, onde existe instalado um equipamento operacional que vem

sendo utilizado para radiografia com nêutrons, figuras 2.1 e 2.2, capaz de gerar

um feixe com intensidade, energia, homogeneidade e dimensões adequados para

este estudo [18].

De uma forma geral, em um reator nuclear, os feixes de nêutrons são

gerados da seguinte maneira. Primeiramente são gerados nêutrons rápidos como

conseqüência do processo de fissão do núcleo de urânio – 235. Ao emergirem

destes núcleos os nêutrons penetram no meio moderador do reator, que no caso

é água leve e, por uma série de espalhamentos elásticos com os prótons deste

meio, parte deles perde energia cinética até atingirem o equilíbrio térmico com

este meio. Nesta condição os nêutrons são chamados de térmicos e, o seu

espectro de velocidade é da forma de uma distribuição Maxwelliana. Se a

temperatura do meio for de 20°C a velocidade mais provável da distribuição é de

2200m/s o que corresponde a uma energia de 25meV [28, 42]. Ainda como

conseqüência da reação de fissão e de outras reações nucleares, surgirão

também radiações gama. Inseridos no meio moderador estão os canais de

irradiação que de uma forma geral são cilíndricos e tipicamente possuem

diâmetros entre 6 e 8 polegadas. Em termos práticos, penetrarão nos canais de

irradiação um espectro de nêutrons com energia entre 0 e ~ 2 MeV e um outro de

radiação gama. No interior dos canais eles serão “tratados” de forma a maximizar

a passagem das radiações desejáveis ao experimento (normalmente nêutrons

com energia na região térmica) e minimizar as indesejáveis (normalmente

nêutrons epitérmicos, rápidos e radiações gamas).

Especificamente, no interior do canal 08 existem instalados um filtro

confeccionado em bismuto cuja finalidade é minimizar a contribuição da radiação -

γ e dos nêutrons epitérmicos e rápidos no local de irradiação das amostras e, um

colimador de nêutrons do tipo cônico divergente com paredes de parafina borada

para dar forma ao feixe térmico. Ao deixar o canal, o feixe encontra dois

obturadores cuja finalidade é aumentar a segurança do equipamento em termos

de proteção radiológica; o primeiro para o feixe de nêutrons e o outro para o feixe

de radiação - γ remanescente. Quando os obturadores permitem a passagem do

36

feixe, este penetra na câmara de irradiação com dimensões aproximadas de 2,0m

x 2,0m x 2,0m e com paredes compostas basicamente por parafina, ácido bórico,

cádmio, chumbo e concreto de barita.

FIGURA – 2.1. Equipamento para radiografia onde as irradiações foramrealizadas

FIGURA 2.2 – Visão da câmara de irradiação

Local deirradiação

37

O equipamento possui também um beam – catcher, ou seja, uma

blindagem maciça que intercepta as radiações que emergem do canal, após

passarem pela amostra. Possui uma massa de aproximadamente 4.000Kg e pode

se mover até 2m ao longo do feixe de nêutrons permitindo várias posições de

irradiação e um fácil manuseio de amostras. As características do feixe de

nêutrons na posição onde o fluxo de nêutrons é máximo estão apresentadas na

tabela 2.1 [10].

Para as irradiações, os detectores são cortados no formato de

retângulos, com dimensões aproximadas de 15 x 35 mm. Estes pedaços,

juntamente com a tela, são posicionados no interior de um suporte de alumínio

denominado cassete onde permanecem em firme contato durante a irradiação.

Como mostrado na figura 2.3 o feixe de nêutrons passa através do detector e

causara reações nucleares na tela. O feixe de partículas - α gerado até uma

distância de aproximadamente 10 µm de sua superfície (alcance destas partículas

na tela), interage com o detector gerando os danos, os quais após ataque químico

geram os traços.

FIGURA 2.3 – Diagrama esquemático mostrando como são feitas as irradiações

Nesta geometria de irradiação em que os nêutrons atingem primeiro o

detector, a quantidade de partículas - α geradas é maior do que no caso em que o

nêutron atinge primeiro a tela de boro [41]. Isto porque no segundo caso o feixe

de nêutrons necessita primeiramente penetrar por toda a extensão do boro

depositado na tela e, portanto ser constantemente atenuado, para então nos

últimos 10µm gerar as partículas - α que poderão causar os danos no detector.

TABELA 2.1 – Características do feixe de nêutrons extraído do arranjoexperimental.

Fluxo no local de irradiação 1,75x106n/cm2.s

Razão fluxo térmico/epitérmico 5,7

Homogeneidade ~5%

Diâmetro útil 20cm

Energia média 7meV

2.4 - Ataque químico (revelação)Após as irradiações, os detectores são então atacados quimicamente.

Para tal finalidade uma cuba de pyrex com volume de 400 ml que contém a

solução “PEW” é imersa em água aquecida. Quando a temperatura da solução

atingir 70°C e permanecer constante, os detectores são inseridos na cuba de

pyrex para serem atacados. O volume de água é de 35 litros e o gradiente de

temperatura é minimizado por agitação mecânica da água mediante uma hélice

acoplada a um motor elétrico como mostrado na figura 2.4 [18].

FIGURA 2.4

água aquecida

cuba

38

– Equipamento para o ataque químico

e hélice

Após a revelação, os detectores são lavados em água corrente e

filtrada. Para a sua secagem, são envolvidos em papéis suaves e absorventes.

Nesta situação, estão prontos para serem analisados [12].

2.5 - Sistema digital [18, 19]O sistema digital desenvolvido neste trabalho está mostrado

esquematicamente na figura 2.5. Consta basicamente de um ampliador

fotográfico e de um microscópio ótico, ambos acoplados a um computador.

FIGURA 2.5.

Es

grandezas:

- dime

- quan

- inten

Pa

atacados são

ampliadas até

ampliador

Diagrama esquemático do sistema digital

te sistema foi elaborado com o objetiv

nsões dos traços;

tidade de traços em uma área do detecto

sidade de luz transmitida pelos detectore

ra a avaliação das duas primeiras os

posicionados no microscópio e as imag

1500x. A imagem é capturada por uma

microscópio

computador

39

de leitura

o de se poder avaliar as

r;

s;

detectores irradiados e

ens dos traços podem ser

câmera de vídeo acoplada

à uma placa de captura de imagens, que está instalada em um computador onde

a imagem é digitalizada. Nesta forma digital a imagem pode ser processada de

modo a torná-la adequada para a determinação das dimensões e da quantidade

dos traços. Este sistema denominado SATI (Sistema para Análise de Traços

Individuais) é mostrado na figura 2.6 e, abaixo são listadas as suas principais

características:

Microscópio: Marca: Leitz; Modelo: Ergolux; Modos de operação: transmissão e

reflexão de luz; Aumentos: 300x - 600x - 1500x; Sistema ocular bifocal

Câmera de vídeo: Marca: Burle; Modelo: TC651B analógica; CCD: dimensão -

1/3”

Placa de captura: Marca: Pixel View; Modelo: PC TV 4.1; Resolução da imagem

digital: 160x120 - 320x240 - 640 x 480 linhas x colunas

Software para o processamento da imagem: Image-pro plus v 4.1

Computador: Processador Pentium 4; 1Gb de RAM

FIGURA 2.6

câmera devídeo

computador

– Sistema digital SATI

microscópio

40

41

Para a avaliação da intensidade da luz transmitida pelos detectores o

sistema digital é composto pelo ampliador de fotografias, uma câmera de vídeo,

um conjunto transmissor/receptor de ondas e pelo computador. Este sistema

possui uma fonte de luz (lâmpada especial para fotografia de 75W) que fornece

um feixe luminoso divergente. Após a sua passagem através de um jogo de lentes

(condensador), o feixe luminoso atinge o detector, perpendicularmente à sua

superfície. A intensidade transmitida passa por outro jogo de lentes que

transforma o feixe original em outro feixe também divergente que é projetado em

uma tela branca e opaca com dimensões 18 cm x 24 cm. Para a atual

configuração o fator de ampliação da imagem original é de aproximadamente 1,5.

A câmera de vídeo está posicionada a 50 cm da tela e, captura a imagem

projetada. Esta imagem é conduzida ao computador por meio de um transmissor

de ondas de rádio sem fio onde é digitalizada e processada. De modo a minimizar

a contribuição da luz ambiente na imagem capturada, este sistema está instalado

no interior de uma câmara escura utilizada para a revelação de filmes. A

intensidade da luz transmitida é avaliada em uma escala de níveis de cinza de 8

bits ou com 256 tons de cinza, que varia de 0 (para o pixel o mais escuro) a 255

(para o mais claro). Este sistema denominado SACT (Sistema para Análise de

Conjunto de Traços) é mostrado na figura 2.7 e abaixo são listadas as suas

principais características:

Ampliador fotografico: Simmon Bros Inc.; Modelo - 211

Câmera de vídeo: Marca Javelin; Modelo JE8242 analógica

Placa de captura: Marca: Pixel View; Modelo: PC TV 4.1; Resolução da imagem

digital: 160x120 - 320x240 - 640 x 480 linhas x colunas

Software para o processamento da imagem: Image-pro plus v 4.1

Computador: Processador Pentium 4; 1Gb de RAM

Transmissor/Receptor: Fujika; modelo Fk-812

FIGURA 2

2.6 - Siste

composto

traços cap

comum de

traços. Es

fonte de luz

condensador

detectores

tela

.7 – Sistema digital SACT

ma analógico [15, 16]Para a avaliação das duas primeiras

pelo mesmo microscópio mencionado

turadas pela câmara de vídeo são pr

14 polegadas para avaliação direta

te sistema é mostrado na figura 2.8.

câmera de

vídeo

42

grandezas, o sistema analógico é

anteriormente e, as imagens dos

ojetadas em um monitor de vídeo

do tamanho e da quantidade de

43

Para a avaliação da intensidade da luz transmitida pelos detectores o

sistema emprega um microfotômetro ótico (Jarrel – Ash). Neste aparelho um feixe

de luz visível atinge o detector perpendicularmente. O feixe de luz transmitido pelo

detector é colimado por uma fenda com dimensões típicas de 3 µm x 700 µm e a

sua intensidade é avaliada em um fotômetro analógico em uma escala de

densidade ótica (D.O) que varia entre 0 e 2, correspondendo ao feixe de luz não

atenuado e, à uma transmissão de 1% respectivamente. Este sistema é mostrado

na figura 2.9 [17].

FIGURA 2.8 – Sistema de leitura analógico

microscópiomonitor devídeo

câmera devídeo

44

FIGURA 2.9 – Diagrama esquemático do microfotômetro

45

CAPITULO 3 - OBTENÇÃO E ANÁLISE DE DADOS

3.1 - Caracterização do sistema digitalAntes da caracterização do polímero Durolon para ser utilizado como

um detector de traços nucleares é necessário verificar se o sistema digital

desenvolvido é viável para ser utilizado nesta caracterização. Esta verificação foi

feita comparando os valores de três parâmetros, taxa de crescimento do traço,

taxa de produção de traços e, intervalo de exposição para obtenção do melhor

contraste ótico, para os detectores Mk-DE e Mk-E, que foram obtidos no sistema

digital e no sistema analógico. Além disto, fez parte desta verificação, uma

avaliação da reprodutibilidade deste sistema digital.

Embora no presente trabalho os traços tenham sido causados por

partículas - α, a exposição dos SSNTD foi considerada em relação ao feixe de

nêutrons por dois motivos. O primeiro porque estas partículas foram geradas em

uma tela de boro irradiada em um feixe de nêutrons e o segundo que as

características deste feixe são bem conhecidas. A exposição aos nêutrons é dada

por E = φ.t sendo “φ” o fluxo de nêutrons (n.s-1.cm-2) e “t” o tempo de irradiação

(s).

3.1.1 - Taxa de crescimento do traçoA taxa de crescimento do traço foi determinada mediante o estudo do

comportamento de seu diâmetro externo (Fig. 1.5), ou anel externo, em função do

tempo de ataque. Para esta finalidade diversos detectores foram irradiados

durante 10 segundos e atacados em intervalos de tempo que variaram entre 3 e

25 minutos. Após irradiação e ataque, os detectores foram posicionados e

analisados no sistema SATI e as imagens dos traços ampliadas 1500x, o que

corresponde a uma área do detector de 1,9x10-4 cm2. Para esta condição de

irradiação, existem em média 50 traços nesta área e, desde que a distribuição dos

traços é mais ou menos homogênea e que para estes tempos de ataque os

diâmetros variaram entre 2µm e 9µm, a fração da área coberta pelos traços varia

entre 1% e 16% respectivamente. Esta condição é desejável para este estudo

46

pois minimiza a possibilidade de sobreposição dos traços e portanto de uma

avaliação falsa de seus diâmetros individuais.

Após serem capturadas as imagens dos traços foram digitalizadas e

processadas de modo à melhor definir a sua borda. Em seguida foram ampliadas,

via software, até 16 vezes e o diâmetro é determinado medindo a distância linear

entre dois pixels localizados na borda do traço e que estejam diametralmente

opostos, como mostrado na figura 3.1. Para esta medida foi utilizada uma escala

de comprimento previamente calibrada, através de um padrão que é uma lâmina

de vidro de dimensões 50mm x 30 mm com 2mm de espessura no centro da qual

está gravada uma escala de 200µm com divisões de 10µm.

A figura 3.2 mostra o gráfico dos resultados para o Mk-E e Mk-DE onde

cada ponto e uma média entre dez diâmetros individuais e as barras de erro são

os desvios padrões das médias. Aos pontos experimentais foi ajustada uma reta

pelo método dos mínimos quadrados e, a taxa de crescimento do traço

corresponde ao valor de seu coeficiente angular.

Para a avaliação do diâmetro no sistema analógico, foram utilizados

estes mesmos detectores. As imagens dos traços individuais ampliadas 1500x

foram projetadas na tela do monitor de vídeo e os diâmetros avaliados

diretamente nesta tela mediante o uso de uma régua plástica graduada cuja

menor divisão da escala é de “meio milímetro”, como mostrado na figura 3.3. A

figura 3.4 mostra o gráfico dos resultados para o Mk-E e Mk-DE em função do

tempo de ataque, onde o valor de cada ponto corresponde a média entre dez

diâmetros individuais e as barras de erro foram determinadas considerando os

desvios padrões das médias e a incerteza de cada medida introduzida pela

utilização da régua [12, 43, 44].

Os valores das taxas de crescimento dos traços obtidas para ambos os

detectores e para ambos os sistemas estão apresentados nas tabelas 3.1 e 3.2.

47

FIGURA 3.1 - Imagem digital para a medida do diâmetro do traço

FIGURA 3.2 - Gráfico do diâmetro do traço em função do tempo de ataque –sistema digital

0 5 10 15 20 25

123456789

10 MK-DE MK-E

diâm

etro

do

traço

(µm

)

tempo de ataque (min)

48

FIGURA 3.3 - Imagem analógica para medida do diâmetro do traço

FIGURA 3.4 - Gráfico do diâmetro do traço em função do tempo de ataque –sistema analógico

0 5 10 15 20 250123456789

10 MKE MKDE

diâm

etro

do

traço

(µm

)

tempo de ataque (min)

49

3.1.2 - Taxa de produção de traçosA taxa de produção de traços é definida como o valor máximo da razão

traço/nêutron e foi determinada mediante o estudo do comportamento da

densidade de traços (traço/cm2) no detector em função da exposição aos nêutrons

(n.cm-2). Para a sua determinação os detectores foram irradiados em diversas

exposições e revelados durante 6 minutos, que é o tempo de ataque para o qual a

eficiência de conversão do nêutron em traço é máxima [12].

Após irradiação e revelação, os detectores foram posicionados no

sistema digital SATI e as imagens dos traços analisadas a uma ampliação de

600x. Para este aumento a área visualizada do detector é de 4,79x10-4 cm2. Após

um processamento que envolve a aplicação repetida e combinada de dois tipos

de filtros, cuja finalidade é transformar “traços em pontos”, os traços foram

contados automaticamente pelo software image – pro, como mostrado na figura

3.5. A figura 3.6 mostra os resultados obtidos para o Mk-E e Mk-DE. Cada ponto

deste gráfico corresponde a média entre dez contagens individuais realizadas em

dez áreas distintas e, as barras do erro correspondem ao desvio padrão da

média. Aos pontos experimentais foi ajustada uma reta pelo método dos mínimos

quadrados e o seu coeficiente angular é a taxa de produção de traços.

Para a avaliação no sistema analógico, foram utilizados os mesmos

detectores. As imagens dos traços ampliadas 1500x são projetadas na tela do

monitor de vídeo e a contagem é feita visualmente da seguinte maneira: uma fina

membrana plástica e transparente é colada na tela do monitor e utilizando uma

caneta vermelha de ponta porosa, cada traço é marcado nesta membrana ao

mesmo tempo em que é registrado em um contador semi-automático, como

mostrado na figura 3.7 [16, 41]. Para esta ampliação cada área do detector na

qual a contagem foi feita corresponde a 1,37x10-4 cm2. Os resultados obtidos

estão mostrados na figura 3.8 e cada ponto do gráfico foi obtido calculando a

média das contagens em dez áreas distintas e as barras do erro correspondem ao

desvio padrão da média.

As taxas da produção de traços obtidas para ambos os detectores para

os sistemas digital e analógico estão apresentadas nas tabelas 3.1 e 3.2.

São também apresentados nestas tabelas os valores das densidades

de traços de fundo para cada detector, ou seja, de traços causados por radiação

50

cósmica, idade, danos mecânicos, que são numericamente iguais aos

coeficientes lineares das retas ajustadas.

FIGURA 3.5 - Imagem digital dos traços processados para contagem

FIGURA 3.6 - Gráfico da densidade de traços em função da exposição para 6minutos de ataque - sistema digital

0 2x107 4x107 6x1070

2x105

4x105

6x105

8x105 MKDE MKE

dens

idad

e de

traç

os(tr

/cm

2 )

exposição(n.cm-2)

51

FIGURA 3.7 - Imagem analógica para a contagem dos traços

FIGURA 3.8 - Gráfico da densidade de traços em função da exposição para 6minutos de ataque - sistema analógico

0 2x107 4x107 6x107 8x107 1x1080,0

2,0x105

4,0x105

6,0x105

8,0x105

1,0x106

1,2x106 MK-E MK-DE

dens

idad

e de

traç

os(tr

/cm

2 )

exposição(n/cm2)

52

3.1.3 - Intervalo de exposição para obtenção do melhor contraste óticoO intervalo de exposição para se obter o melhor contraste ótico foi

determinado mediante o estudo do comportamento da curva que relaciona a

intensidade da luz transmitida pelos detectores, irradiados e revelados, em função

da exposição ao feixe de nêutrons. O contraste ótico é definido pela relação G =

∆NC/∆(logE) e é máximo na região mais íngreme desta curva[45].

Para esta finalidade, diversos detectores foram irradiados no intervalo

de tempo entre 5 segundos e 4 horas o que corresponde ao intervalo de

exposição 1x107< E < 2x1010 n.cm-2. Os detectores foram atacados durante 6

minutos e posicionados no sistema digital (SACT). A imagem dos detectores foi

capturada e digitalizada e o nível de cinza – NC correspondente a cada um foi

determinado usando o mesmo software image - pro, que avalia simultaneamente

a média da intensidade de aproximadamente 1700 pixels individuais em uma área

de 0,4cm2 do detector. A figura 3.9 mostra a imagem digital de um conjunto de 12

detectores irradiados e atacados nas condições mencionadas acima, bem como a

área na qual a intensidade da luz foi determinada.

As curvas obtidas de “NC” em função de “E” para os detectores Mk-E e

Mk-DE são mostrados na figura 3.10 e, os intervalos de exposição para os quais o

contraste ótico é máximo estão indicados por setas.

Os resultados para o sistema analógico foram extraídos das

referências [12, 41] uma vez que estes não puderam ser refeitos para estes

mesmos detectores, pois como já mencionado o microfotômetro no qual estas

medidas deveriam ser realizadas não está mais disponível.

Os intervalos e as razões de exposição bem como os tempos de

irradiação para se obter o melhor contraste para ambos os detectores, para os

sistemas analógico e digital estão apresentados nas tabelas 3.1 e 3.2.

53

FIGURA 3.9 - Imagem digital mostrando as diferenças nos níveis de cinza paradetectores irradiados em exposições diferentes.

FIGURA 3.10 - Gráfico do nível de cinza em função da exposição para 6 minutosde ataque – sistema digital

1E8 1E9 1E10

60

80

100

120

140

160

180

200

220

240

260 Mk-DE Mk-E

níve

l de

cinz

a

exposição(n/cm2)

54

3.1.4 - Análise e comparação dos resultados

3.1.4.1 - Quanto a qualidade dos resultadosAs tabelas 3.1 e 3.2 abaixo resumem os dados referentes a ambos os

sistemas para os dois detectores Mk-DE e Mk-E.

TABELA 3.1 - Dados comparativos entre os sistemas analógico e digital para odetector Mk-DE

Mk-DE Sistema digital Sistema analógico

Taxa de crescimento do traço

(µm/min)

0,29±0,01 0,29±0,01

Taxa de produção de traços

(traços/nêutron)0,0106±0,0008 0,0114±0,0005

Traços de fundo

(tr/cm2)(0,7±0,4)x105 (1,6±0,3)x105

Intervalo de exposição(n.cm-2)

Razão de exposição

Tempo de irradiação(h)

2x108 <E< 8x109

40

1,2

1x109 <E< 3x1010

30

4,7

TABELA 3.2 - Dados comparativos entre os sistemas analógico e digital para odetector Mk-E

Mk-E Sistema digital Sistema Analógico

Taxa de crescimento do traço

(µm/min)

0,33±0,01 0,33±0,02

Taxa de produção de traços

(traços/nêutron)0,0095±0,0006 0,0093±0,0004

Traços de fundo

(tr/cm2)(0,3±0,3)x105 (1,5±0,3)x105

Intervalo de exposição (n.cm-2)

Razão de exposição

Tempo de irradiação(h)

2x108 <E< 6x109

30

1

1x109 <E<2x1010

20

3,2

55

De acordo com os resultados obtidos, se pode concluir que:

- as taxas, de crescimento do diâmetro e da produção de traços para o Mk-DE e

para o Mk-E obtidas em ambos os sistemas concordam dentro das suas

incertezas

- para ambos os detectores a quantidade de traços de fundo quando lida no

sistema digital é menor do que quando lida no analógico. Desde que o

microscópio em ambos os sistemas é o mesmo, a diferença na quantidade de

traços de fundo provem da metodologia de leitura. De acordo com os dados a

maior diferença ocorre para o Mk-E. Como uma das faces deste detector é rugosa

e esta contém muitos traços “falsos”, os dados mostram que existe uma tendência

maior em considerá-los verdadeiros ao se realizar a contagem visual.

- as razões de exposição são maiores quando avaliadas no sistema digital

significando que o contraste permanece máximo por um intervalo de exposição

maior. Além disto, desde que o fim deste intervalo é alcançado antes no sistema

digital, significa que é necessário menos tempo de irradiação para se atingir a

região de contraste máximo.

3.1.4.2 - Quanto a obtenção de dadosCom relação ao modo de como os dados são obtidos em ambos os

sistemas, vale a pena mencionar que:

- no sistema analógico, o diâmetro do traço é avaliado utilizando uma régua

plástica transparente pressionada contra a tela curva do monitor de video.

- no digital, o diâmetro é avaliado medindo a distância entre dois pixels em uma

imagem bem definida e ampliada.

- no sistema analógico a contagem dos traços é visual e feita diretamente em uma

imagem ampliada 1500x na tela do monitor. Tipicamente em uma tela contendo

150 traços a contagem é feita em aproximadamente 10 minutos.

- no sistema digital o mesmo trabalho é executado pelo software em

aproximadamente 10 segundos e, em uma área aproximadamente 2,5 vezes

maior do que a anterior pois a imagem é ampliada 600x. Desta forma, o tempo

gasto para a obtenção de uma das curvas da figura 3.6 utilizando o sistema digital

56

é de aproximadamente 10 minutos enquanto que para a obtenção de uma das

curvas da figura 3.8 utilizando o sistema analógico, por causa do cansaço visual,

é de aproximadamente 15 horas. Assim, além de evitar o cansaço visual, o

sistema digital pode propiciar um menor erro estatístico na contagem dos traços.

- no sistema analógico, a leitura da luz transmitida pelo detector é realizada no

microfotômetro mediante uma varredura ao longo de cada detector como

mostrado na figura 3.11. Para cada varredura são realizadas 100 leituras

individuais, cada uma correspondendo à uma área de 2,1x10-5cm2, o que significa

uma área total de 2,1x10-3cm2. O valor da intensidade da luz transmitida para

cada detector é determinado mediante a média destas 100 medidas individuais e

o tempo total gasto nesta avaliação é de aproximadamente 20 minutos.

FIGURA 3.11 - Esquema mostrando como a luz transmitida pelo detector e lida nomicrofotômetro

- no sistema digital, a intensidade do nível de cinza e a sua incerteza, são

avaliadas pela média das intensidades de aproximadamente 1700 pixels

individuais, dentro de uma área de aproximadamente 0,4 cm2 do detector e este

procedimento leva alguns segundos. Desta forma o tempo despendido para a

obtenção de uma curva, como a da figura 3.10, é de 5 minutos enquanto que

utilizando o sistema analógico, o tempo necessário é de 4 horas de trabalho

ininterrupto e em uma área aproximadamente 200 vezes menor.

A facilidade para tornar o sistema digital operacional deve também ser

mencionada. À exceção do microscópio ótico, todos os outros componentes são

padrões, o que torna este sistema acessível a qualquer laboratório.

57

3.2 - Reprodutibilidade do sistema digital [46]No presente trabalho a reprodutibilidade foi expressa, em termos do

desvio padrão percentual, relativo ao valor médio das medidas efetuadas para as

grandezas que originam os três parâmetros estudados.

3.2.1 - Taxa de crescimento do traçoCom relação ao parâmetro taxa de crescimento do traço a grandeza

medida foi o diâmetro do traço e, o procedimento para a determinação da

reprodutibilidade foi o seguinte:

1 – irradiação de 10 detectores

2 – ataque químico a cada detector um em sua própria solução

3 – para cada detector medir o diâmetro de 10 traços individuais e calcular a sua

média. O desvio padrão das 10 médias foi - σ = 0,2µm e o percentual foi 5,4%.

O procedimento para a verificação da influência do sistema SATI foi o

seguinte:

1 - irradiação e ataque químico em um único detector

2 – medir 5 vezes o diâmetro de um mesmo traço e calcular a sua média

3 – repetir 10 vezes o procedimento 2. O desvio padrão das 10 médias foi - σ =

0,05µm e o percentual foi 1,6%

Considerando que a influência do sistema digital na medida seja

independente da influência dos outros fatores:

σ2 = σ(SATI)2 + σ(outros fatores)

2 (4.1)

0,22 = 0,052 + σ(outros fatores)2

σ(outros fatores) = 0,19µm

Portanto a influência do sistema digital na reprodutibilidade da medida

do diâmetro é desprezível.

3.2.2 - Taxa de produção de traçosCom relação ao parâmetro taxa de produção de traços a grandeza

medida foi a contagem de traços em uma área especifica e o procedimento para a

determinação da reprodutibilidade foi o seguinte:

1 – irradiação de 10 detectores a mesma exposição

2 – ataque químico a cada detector em sua própria solução

58

3 – para cada detector contar os traços em 10 áreas individuais e calcular a sua

média. O desvio padrão das 10 médias foi - σ = 15 e o percentual foi 4,4%.

O procedimento para a verificação da influência do sistema SATI foi o

seguinte:

1 – irradiação e ataque químico em um único detector

2 – contar 5 vezes o número de traços em uma mesma área e calcular a sua

media

3 – repetir 10 vezes o procedimento 2. O desvio padrão das 10 médias foi - σ = 0

e o percentual foi 0%.

Portanto não existe influência do sistema digital na reprodutibilidade da

medida do número de traços.

3.2.3 - Intervalo de exposição para ótimo contrasteCom relação ao parâmetro intervalo de exposição para ótimo contraste

a grandeza medida foi a Intensidade de luz transmitida pelo detector e o

procedimento foi o seguinte:

1 – irradiação individual de 10 detectores a mesma exposição

2 – ataque químico a cada detector um em sua própria solução

3 – para cada detector medir a intensidade da luz transmitida em 10 áreas

individuais e calcular a sua média. O desvio padrão das 10 médias foi - σ = 6,7 e

o percentual foi 3,9%.

O procedimento para a verificação da influência do sistema SACT foi o

seguinte:

1 - irradiação e ataque químico em um único detector

2 – medir 10 vezes a intensidade da luz transmitida em uma mesma área e

calcular a sua média. O desvio padrão das 10 médias foi - σ = 1,6 e o percentual

foi 0,9%

Considerando que a influência do sistema digital na medida seja

independente da influência dos outros fatores:

σ2 = σ(SACT)2 + σ(outros fatores)

2 (4.2)

6,72 = 1,62 + σ(outros fatores)2

σ(outros fatores) = 6,5

59

Portanto a influência do sistema digital na reprodutibilidade da medida

de transmissão de luz é desprezível.

Dentre os fatores que contribuem para a influência do sistema digital na

reprodutibilidade destacam-se:

- erros de calibração da escala do sistema SATI

- erros de posicionamento do cursor para a medida do diâmetro

- instabilidade do sistema de contagem SATI

- instabilidade do sistema de leitura SACT

Dentre os fatores que contribuem para a influência dos “outros fatores”

na reprodutibilidade destacam-se:

- quantidade de energia depositada ao longo do dano

- ângulo de incidência da partícula

- qualidade dos produtos químicos e temperatura utilizados na revelação

- tempo de irradiação

- quantidade de traços gerados

3.3 - Caracterização do polímero Durolon como um SSNTDEsta caracterização refere-se a quantificação dos parâmetros:

- taxa de crescimento do diâmetro externo do traço

- taxa de crescimento do diâmetro interno do traço

- taxa de produção de traços

- intervalo de exposição para obtenção do melhor contraste ótico

- ângulo crítico de incidência

- transparência à luz visível

Nas figuras abaixo estão apresentados os dados que foram obtidos

para o Durolon. Entretanto, e com o intuito de se realizar uma comparação, nas

tabelas 3.3, 3.4, 3.5, 3.6 e 3.7 estão também apresentados os resultados para o

Mk-DE e para o Mk-E obtidos utilizando este mesmo sistema digital.

3.3.1 - Taxa de crescimento do traçoA determinação da taxa de crescimento do traço seguiu o mesmo

procedimento empregado em 3.1.1. A figura 3.12 mostra o gráfico do diâmetro do

60

traço em função do tempo de ataque. A taxa de crescimento do traço obtida está

apresentada na tabela 3.3.

Por meio do sistema digital foi possível se ter acesso ao diâmetro

interno do traço, também mostrado nesta figura, e assim à área de seu anel

externo, que é o responsável pelo enegrecimento do detector, dado até então

inacessível pelo sistema analógico. Isto nos permitiu explicar o motivo pelo qual a

região de trabalho do Durolon começa e termina antes do que a dos outros

detectores (vide item 3.3.3).

FIGURA 3.12 - Gráfico dos diâmetros interno e externo em função do tempo deataque.

Como mostrado nesta tabela, com exceção do valor da taxa de

crescimento do diâmetro externo para o Mk-E, todos os outros valores tanto para

o diâmetro externo quanto para o interno concordam dentro de suas incertezas. A

principio já esperávamos que todos os valores destas taxas fossem próximos,

uma vez que os três SSNTD são policarbonatos e que foram atacados pela

mesma solução química e à mesma temperatura.

0 5 10 15 20 250123456789

10

ext int

diâm

etro

do

traç

o ( µ

m)

tempo de ataque(min)

61

TABELA 3.3 - Comparação entre os valores das taxas de crescimento dosdiâmetros externo e interno para os três SSNTD estudados

Diâmetro externo

(µm/min)

Diâmetro interno

(µm/min)

Mk-E 0,33±0,01 0,14±0,01

Mk-DE 0,29±0,01 0,13±0,01

Durolon 0,29±0,01 0,12±0,01

3.3.2 - Taxa de produção de traçosAfim de determinar a taxa de produção de traços foi necessário

determinar primeiramente o tempo de ataque para o qual a conversão

traço/nêutron é máxima. Para esta finalidade diversas tiras do detector foram

irradiadas à uma mesma exposição E = 6x107 n.cm-2. Após contagem no sistema

SATI, à um aumento de 600x, o comportamento da densidade de traços em

função do tempo de ataque é mostrado na figura 3.13. Cada ponto do gráfico

corresponde a média das densidades de cinco áreas distintas e, as barras de erro

ao desvio padrão da média. Como pode ser observado, a conversão é máxima

para 8 minutos de ataque.

A taxa da produção de traços foi determinada mediante o mesmo

procedimento empregado em 3.1.2. A figura 3.14 mostra os resultados obtidos

para a densidade de traços em função da exposição para este tempo de ataque.

Os valores para a taxa da produção de traços e para a densidade de traços de

fundo do detector estão apresentados na tabela 3.4.

62

FIGURA 3.13 - Gráfico mostrando o comportamento da densidade de traços em

função do tempo de ataque

FIGURA 3.14 - Gráfico da densidade de traços em função da exposição para 8minutos de ataque

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 220

2x105

4x105

6x105

8x105

dens

idad

e de

traç

os(tr

/cm

2 )

tempo de ataque(min)

0 2x107 4x107 6x107 8x107 1x108

2x105

4x105

6x105

8x105

1x106

dens

idad

e de

traç

os(tr

/cm

2 )

exposição(n/cm2)

63

Como mostrado nesta tabela, quanto ao tempo ótimo do ataque

químico, também esperávamos resultados próximos para os SSNTD pois todos

são oriundos do Makrolon e foram atacados na mesma solução.

Quanto aos traços de fundo, ou seja, traços que existem no detector

sem serem irradiados e, que são oriundos de sua interação com as radiações

cósmicas, idade, fabricação, manipulação, etc, o Durolon, e o Mk-DE são os

detectores “mais sujos”. Isto de certa forma é esperado para o Durolon uma vez

que dos três policarbonatos analisados, somente o Durolon não foi produzido para

esta finalidade. Com relação as taxas de produção de traços, os três detectores

apresentaram valores muito próximos dentro de suas incertezas significando que

suas eficiências, ou seja, que a quantidade de traços produzidos por nêutron

incidente no conversor de boro são muito próximas.

TABELA 3.4 - Comparação entre o tempo ideal de ataque químico, as taxas deprodução de traços e a quantidade de traços de fundo para os três SSNTDestudados

Tempo de ataque

(min)

Taxa de produção de traços

(tr/n)

Traços de

fundo

Mk-E 6 0,0095±0,0006 (0,3±0,3).105

Mk-DE 6 0,0106±0,0008 (0,7±0,4).104

Durolon 8 0,0109±0,0004 (0,9±0,2).105

3.3.3 - Intervalo de exposição para obtenção do melhor contraste óticoA determinação da exposição para se obter o melhor contraste seguiu

o mesmo procedimento de 3.1.3. Os detectores foram irradiados no intervalo de

exposição 1x107< E < 1,5x1010 n.cm-2. Após 8 minutos de ataque eles foram

posicionados no sistema digital e, o nível de cinza correspondente a cada

detector, determinado usando o mesmo software. O comportamento do nível de

cinza em função da exposição é mostrado na figura 3.15 e o intervalo de

exposição para o qual o contraste ótico é máximo esta indicado por setas. Este

resultado, bem como a razão de exposição correspondente à este intervalo e, o

tempo de irradiação para se obter o melhor contraste estão apresentados na

Tabela 3.5.

64

1E8 1E9 1E10

6080

100120140160180200220240

níve

l de

cinz

a

exposição(n/cm 2)

FIGURA 3.15 - Gráfico do nível de cinza em função da exposição para 8 minutosde ataque

De acordo com os resultados mostrados nesta tabela, é importante

frisar que o Durolon é o SSNTD que exibe a maior razão de exposição, ou seja, é

o que possui o maior intervalo de trabalho para o qual o contraste se mantêm

elevado o que é muito importante se o detector estiver sendo utilizado como um

filme radiográfico. Outro fato relevante é que a sua região de trabalho começa e

termina antes do que a dos demais detectores, significando uma exposição ou

tempo de irradiação menores.

TABELA 3.5 - Comparação entre os intervalos de exposição para o qual ocontraste ótico é máximo para os três SSNTD estudados

Intervalo de exposição

(n.cm-2)

Razão de

exposição

Tempo de

irradiação (h)

Mk-E 2x108 <E< 6x109 30 1

Mk-DE 2x108 <E< 8x109 40 1,2

Durolon 7x107< E < 4x109 57 0,7

65

Estas conclusões foram baseadas em curvas traçadas pela guia dos

olhos aos gráficos de nível de cinza em função da exposição e, portanto, os

valores da exposição do início e do fim das regiões são, a princípio, mais ou

menos arbitrários. Entretanto, por meio do sistema digital foi possível ter acesso a

outras características dos traços, até então inacessíveis pelo sistema analógico e,

explicar esta conclusão. Como mostrado na figura 3.12, o sistema digital permitiu

acesso tanto ao diâmetro externo como interno dos traços e assim à área de seu

anel externo, que é o responsável pelo enegrecimento do detector. De acordo

com a figura 3.16 os valores destas áreas, correspondentes aos melhores tempos

de ataque (mostrado por flechas) são os seguintes: Durolon ~ 10µm2; Mk-DE ~

9µm2; Mk-E ~ 6µm2 . Desde que o Durolon exibe a maior área, a sua região de

melhor contraste deve começar e terminar antes dos demais pois traços maiores

espalham mais a luz, mas se sobrepõe primeiro.

FIGURA 3.16 - Gráfico das áreas das coroas dos traços em função do tempo deataque

0 2 4 6 8 10 1202468

101214161820

Durolon MkDE MkE

á rea

da

coro

a( µ

m2 )

tem po de ataque(m in)

66

3.3.4 - Ângulo crítico[47]O ângulo crítico de incidência já foi definido no Capítulo 1, pela

expressão (1.12) e para a sua determinação é necessário se conhecer as

velocidades de ataque no dano - Vt e na superfície do detector não danificado -

Vs.

No presente trabalho, foi desenvolvida uma técnica para a

determinação de Vt denominada de “focalização seletiva” cuja idéia central é a

seguinte: a profundidade de um dano corresponde ao alcance da partícula - α no

detector [8]. Sabe-se que estas regiões são quimicamente mais reativas do que

as não danificadas e que um traço possuirá forma cônica enquanto a solução

estiver atacando esta região. Assim, a distância relativa entre a base e o vértice

do cone aumenta com o tempo de ataque, até que a solução química atinja o fim

do dano, para então permanecer constante. Esta distância foi determinada

mediante “focalização” seletiva”, ou seja, medindo a distância que a objetiva do

microscópio se desloca entre a focalização da base de um cone situado na

superfície do detector e do seu vértice. Repetindo-se este procedimento, se

determina o valor do tempo de ataque para o qual esta distância permaneça

constante. De acordo com os dados apresentados na figura 3.17, o valor deste

tempo é de aproximadamente 8 minutos. Desde que o alcance da partícula - α no

detector é de ~ 7µm, encontra-se para Vt ~ 0,8µm/min.

Por outro lado Vs é numericamente igual ao coeficiente angular da reta

ajustada aos pontos que relacionam variação de espessura do detector em

função do tempo de ataque [8]. Os pontos experimentais estão mostrados na

figura 3.18 e o resultado obtido foi Vs = 0,144µm/min, resultando para θc~10°,

mostrado na tabela 3.6.

67

FIGURA 3.17 - Gráfico da profundidade do traço em função do tempo de ataque

FIGURA 3.18 - Gráfico da variação da espessura do detector em função do tempode ataque

5 10 15 20 250,0

0,5

1,0

1,5

2,0

2,5

3,0

3,5

4,0

varia

ção

da e

spes

sura

( µm

)

tempo de ataque(min)

0 2 4 6 8 10 12 14 160,0

0,5

1,0

1,5

2,0

2,5

3,0

3,5D

istâ

ncia

sup

erfíc

ie-v

értic

e (u

nid

arb.

)

tempo de ataque(min)

68

Os resultados para os três detectores estudados neste trabalho, estão

apresentados nesta tabela 3.6.

TABELA 3.6 - Comparação entre as velocidades de ataque ao longo do traço (Vt)e na superfície não irradiada (Vs) e entre os ângulo críticos determinados pelométodo proposto, para os três SSNTD estudados

Vt(µm/min) Vs(µm/min) ângulo crítico(°)

Mk-E 1,1 0,142±0,007 7,4

Mk-DE 1,27 0,138±0,009 6,2

Durolon 0,825 0,144±0,004 10,05

Desde que a velocidade – Vs de ataque na superfície para os três

SSNTD são iguais dentro de suas respectivas incertezas, a explicação para as

diferenças entre os ângulos críticos está na velocidade - Vt de ataque nas trilhas

de danos e neste caso, a correspondente ao Durolon é a menor. Como é sabido

Vt depende da estrutura molecular de cada policarbonato e dos aditivos

empregados na fabricação (que é uma componente de segredo industrial).

Entretanto, mesmo que o ângulo crítico do Durolon seja o menor deles,

os dados da tabela 3.4 mostram que isto não influenciou na sua eficiência de

gerar traços. A explicação deste fato deve vir da presente geometria de irradiação

(figura 2.3) que neste caso propicia um feixe de partículas - α paralelo e não

cônico divergente.

3.3.5 - Transparência à luz visívelAlguns detectores transparentes podem passar a apresentar um

aspecto translúcido e/ou uma coloração amarela clara ao serem atacados pelas

soluções químicas comumente utilizadas. A conseqüência da perda desta

transparência é a elevação do fundo ótico do detector e portanto uma diminuição

de sua razão sinal/ruído.

Para a avaliação da transparência, diversos pedaços de Durolon não

irradiados foram submetidos ao ataque químico em um tempo de até 16 minutos.

Os resultados obtidos apresentados na figura 3.19 mostram que o Durolon não

perde a sua transparência à luz visível mesmo após 15 minutos, o qual é

69

praticamente o dobro do utilizado no ataque. Isto significa que de acordo com os

dados da literatura [9] sua transmitância permanece próxima a 90%.

FIGURA 3.19 - Comportamento da transparência do detector à luz visível emfunção do tempo de ataque

De acordo com os resultados obtidos, os três SSNTD estudados não

apresentam qualquer variação significativa em sua transparência à luz visível até

15 minutos, o qual é superior ao tempo ótimo de ataque. O Mk-E exibe uma

transparência intrínseca menor do que os demais porque este SSNTD é

translúcido enquanto que os outros são transparentes. Desta forma nenhum dos

três SSNTD terá redução do contraste ótico causada pelo ataque químico, o que

vem a ser importante se forem utilizados como filmes radiográficos.

TABELA 3.7 - Comparação entre as transparências a luz visível para os trêsSSNTD estudados

Tempo de ataque

(min)

Nivel de cinza

medio

Mk-E 0 a 15 200

Mk-DE 0 a 15 255

Durolon 0 a 15 255

0 2 4 6 8 10 12 14 160

50

100

150

200

250

níve

l de

cinz

a

tempo de ataque(min)

70

CAPITULO 4 - CONSIDERAÇÕES FINAIS4.1 - Conclusões referentes ao Durolon

Baseado nos resultados obtidos é possível concluir que o policarbonato

Durolon exibe características desejáveis para ser empregado como um detector

de traços nucleares de estado sólido.

As condições que o Durolon deve ser submetido para se ter a melhor

eficiência de detecção e o melhor contraste ótico são as seguintes:

• Exposição: 4x109 n.cm-2

• Tempo de ataque: 8 minutos

• Tempo de irradiação em um fluxo de 1,75x106 n.s-1cm-2 : 0,7 horas

As características do Durolon nestas condições são as seguintes:

• Taxa de produção de traços: 0,01 traços/nêutron

• Diâmetro do traço: 3,8 µm

• Intervalo de exposição: 7x107< E < 4x109 n.cm-2

• Transparência: inalterada com uma transmitância de ~ 90%

Comparando as características do Durolon com as do Mk-DE e do Mk-

E se pode concluir que embora o tempo de ataque ao Durolon para se obter a

maior eficiência de conversão traço/nêutron seja de 8 minutos, o qual é 2 minutos

maior do que para os outros dois, o tempo de irradiação necessário para atingir a

região de melhor contraste é de 42 minutos, o qual é 20 minutos menor do que

para o Mk-E e 30 minutos menor do que para o Mk-DE.

Quanto aos outros parâmetros estudados, eles apresentaram valores

muito similares.

Ainda é importante salientar que além do Durolon estar disponível no

mercado interno, possui um preço acessível. Uma chapa com 2m2 e 500 µm de

espessura pode ser adquirida por um preço de R$ 60,00.

71

4.2 - Conclusões referentes ao sistema digitalDe acordo com os resultados obtidos nos testes de caracterização, nos

quais os sistemas analógico e digital foram utilizados para a determinação dos

mesmos parâmetros, dos mesmos detectores Mk-E e Mk-DE, o sistema digital

mostrou-se viável quanto a qualidade dos resultados e, em muitos aspectos

desejável quanto a facilidade para a obtenção e o processamento de dados

registrados. Viável porque os valores obtidos para as taxas de crescimento dos

traços e para a produção de traços para o Mk-E e para o Mk-DE concordaram

dentro de suas incertezas e a quantidade de traços de fundo bem como o tempo

de irradiação necessário para se obter o melhor contraste ótico nestes detectores

são menores. Desejável porque tanto o cansaço visual quanto o tempo

demasiadamente elevado para a realização das medidas, que são características

do sistema analógico, são minimizados mediante a utilização do sistema digital.

Por exemplo, medidas de comprimento na escala microscópica são feitas em

imagens grandes e de contornos bem definidos, contagens de traços e medidas

de intensidade de luz transmitida pelo detector são feitas automaticamente. As

escalas de tempo para a obtenção dos dados passam de muitas horas, para

minutos ou até mesmo segundos e a qualidade dos resultados é pelo menos

similar as obtidas no sistema analógico.

Para finalizar vale a pena mencionar novamente que o sistema digital

permitiu o acesso a outros dados, como a área do anel externo dos traços bem

como a inspeção da transmissão de luz por um único traço, que são parâmetros

fundamentais para a compreensão e o acesso a teoria da formação da imagem

em SSNTD.

4.3 – Aplicações do DurolonAinda como conclusões, são mostrados abaixo alguns exemplos da

aplicação do Durolon. Vale a pena enfatizar que nestes exemplos o Durolon foi

irradiado no equipamento instalado no canal de irradiação 08 do reator IEA-R1 do

IPEN-CNEN/SP.

No primeiro exemplo o Durolon foi utilizado como um filme para

registrar imagens da técnica da radiografia com nêutrons [48]. Nesta técnica o

feixe de nêutrons passa pela amostra a ser radiografada e a intensidade

transmitida incide em uma tela de boro gerando um feixe de partículas - α, cuja

72

intensidade modulada segue o mesmo padrão daquela dos nêutrons transmitidos.

O feixe alfa incide no Durolon formando os danos, os quais após ataque químico

transformam-se em traços que formam a imagem. O Durolon é então posicionado

no sistema digital SACT e a imagem é processada mediante o software image-

pro. Nas figuras 4.1 e 4.2 são mostradas as imagens processadas das

radiografias de um isqueiro a gás e de um aerosol obtidas nas condições

descritas no início deste capítulo. Nestas imagens podem ser vistos diversos

detalhes das estruturas internas destas amostras.

FIGURA 4.1 – Radiografia com nêutrons de um isqueiro a gás obtida com oDurolon

FIGURA 4.2 - Radiografia com nêutrons de um aerosol obtida com o Durolon

73

No segundo exemplo o Durolon também foi utilizado como um filme, na

técnica da radiografia com partículas - α induzida por nêutrons [45]. Nesta técnica,

o feixe de nêutrons atravessa o Durolon, atravessa a amostra a ser radiografada e

incide na tela de boro gerando partículas - α. Parte destas partículas incide na

amostra e a intensidade transmitida causará danos no Durolon, os quais como

anteriormente, após ataque químico transformam-se em traços formando a

imagem. O Durolon é então posicionado no sistema digital SACT e a imagem

registrada é processada mediante o software image-pro. Na figura 4.3 esta

mostrada a radiografia de uma colônia de bactérias e na figura 4.4 detalhes

ampliados desta colônia.

FIGURA 4.3 – Colônia de bactérias radiografada com partículas - α.

FIGURA 4.4 – Detalhe ampliado da colônia da figura 4.3.

74

No terceiro exemplo o Durolon foi empregado como um dosímetro de

nêutrons térmicos. O conjunto Durolon – tela foi irradiado no mesmo feixe de

nêutrons e como anteriormente a informação foi levada ao detector pelo feixe de

partículas - α gerado na tela de boro.

Num primeiro teste estabelecemos uma correspondência entre dose e

densidade de traços. O conjunto Durolon - tela foi submetido à irradiações de até

40 segundos, o que para o presente feixe de nêutrons corresponde a uma dose

de ~ 80mRem [49]. Este tempo foi limitado a 40 segundos pois sabíamos

previamente que para este feixe, irradiações acima deste tempo levam a

sobreposição dos traços, o que torna a sua contagem imprecisa. Após irradiação

e ataque os detectores foram posicionados no sistema SATI e o comportamento

da dose em função da densidade de traços está mostrado na figura 4.5. Aos

pontos experimentais foi ajustada uma reta pelo método dos mínimos quadrados

e a função que fornece o valor da dose em função da densidade de traços é a

seguinte:

Y = (-9 ± 2)+(1,06 ± 0,04)x10-4. X (4.1)

sendo:

Y = Dose[mRem]; X = Densidade de traços[tr/cm2]

No segundo teste, o conjunto foi irradiado em até 4 horas, o que

corresponde a dose máxima de ~ 30Rem. Neste caso estabelecemos uma

correspondência entre dose e nível de cinza. Os detectores foram posicionados

no sistema SACT e o comportamento da dose em função dos níveis de cinza está

mostrado na figura 4.6. Neste caso a função ajustada foi uma hiperbólica e a

expressão que fornece o valor da dose em função do nível de cinza é a seguinte:

Y = (1000 ± 120)*X/((-69,5 ± 0,3)+X) (4.2)

sendo:

Y = Dose[mRem]; X = Nível de cinza

A curva mostra que o intervalo de dose mensurável está entre ~ 100 e

~ 15000mRem.

É importante salientar que os intervalos de dose correspondentes a

cada método praticamente se sobrepõe, significando uma faixa muito ampla de

sua aplicação para esta finalidade, ou seja, entre ~ 5mRem e 30Rem [50].

75

FIGURA 4.5 - Valores da dose de nêutrons térmicos em função da densidade detraços

FIGURA 4.6 - Valores da dose de nêutrons térmicos em função do nível de cinza

0 2x105 4x105 6x105 8x1050

10

20

30

40

50

60

70

80

90

limite superior aproximadopara a medida de dose por este métodomotivo: sobreposição de traçosD

ose

de n

êutro

ns (m

Rem

)

densidade de traços (tr/cm2)

60 80 100 120 140 160 180 200 220 240

0

5000

10000

15000

20000

25000

30000pouca sensibilidade para leituras

região útil para medidade dosemínimo ~ 100mRemmáximo ~ 15Rem

dose

de

nêut

rons

(mR

em)

nível de cinza

76

4.4 - Trabalhos sugeridosPara finalizar é muito importante salientar que como o sistema digital

permitiu acesso a distribuição de luz no interior de um único traço, tornou possível

novas perspectivas de pesquisa pois como já mencionado, tem-se acesso aos

parâmetros fundamentais que norteiam a teoria mais aceita hoje a respeito da

formação da imagem em um SSNTD [20, 21, 22, 23]. A seguir, estão

apresentados alguns dados que demonstram a viabilidade do emprego deste

sistema para o tipo de estudo sugerido. De acordo com esta teoria, o

enegrecimento de um detector de traços nuclear ocorre fundamentalmente devido

ao espalhamento da luz por um único traço, ou melhor, em regiões especificas do

traço.

Na figura 4.7 são mostrados sobrepostos, um traço do Durolon obtido à

8 minutos de ataque e a varredura da transmissão de luz ao longo da sua direção

radial.

FIGURA 4.7 - Imagem digital de um único traço e a distribuição de luz em seuinterior.

0 1 2 3 4 5 60

20406080

100120140160180200220240260

níve

l de

cinz

a

coordenada de varredura(micra)

77

Como pode ser observado nesta figura, o sistema digital permite

acesso à transmissão de luz por diversas regiões do traço bem como à função

T(r) (1.14) que define a dependência radial da transmissão no interior do traço e

portanto, acesso à todos os parâmetros desta teoria. Os resultados obtidos para o

Durolon e para os outros dois detectores, Mk-DE e o Mk-E, estão apresentados

na tabela 4.1.

TABELA 4.1 - Dados referentes à transmissão de luz (em unidade de nível decinza) por um único traço para os detectores estudados

Durolon Mk-DE Mk-E

Área livre 185 175 180

Anel externo 100 120 150

Circulo interno 255 255 250

É importante salientar que estes dados foram aqui apresentados com o

único intuito de demonstrar a viabilidade do sistema digital na exploração dos

parâmetros importantes referentes ao estudo dos traços, até então inacessíveis

pelo sistema analógico. Qualquer comparação entre os dados aqui apresentados

é inviável, pois estes não foram obtidos nas mesmas condições experimentais.

Outro trabalho a ser realizado é a caracterização do Durolon quanto a

detecção de nêutrons epitérmicos e rápidos. Neste caso o detector é irradiado no

feixe de nêutrons sem a tela de boro e os traços são formados por prótons de

recuo oriundos da interação direta com os nêutrons. Este trabalho é muito

importante, pois muitas das aplicações dos SSNTD são referentes à detecção

destes nêutrons em campos de pesquisa tais como em terapia por captura de

nêutrons (BNCT), radiografia, dosimetria, etc [51].

78

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